系統(tǒng)硬件綜合設(shè)計

1、精品文檔計算機與信息學院系統(tǒng)硬件綜合設(shè)計課程設(shè)計報告學生姓名：李學號：1234567890專業(yè)班級：計算機2017 年07 月 01日.精品文檔一、實驗原理及設(shè)計本次試驗我主要根據(jù)上圖進行理解和編程，起先參考了5 個基礎(chǔ)實驗， 期間又翻閱了自己動手寫 cpu，并且在網(wǎng)上查了很多資料，下面我將對該圖做出我的理解和設(shè)計:1.pcf 部分always (posedge Clk)beginPCPlus4F_Reg = PCPlus4F;if (BranchM&ZeroM) PCF = PCBranchM;else PCF = PCPlus4F;InstructionF_Reg = Instru

2、ctionF;if (InstructionF31:26 = 6'b000010)beginPCF = 6'h0,InstructionF25:0;PCF = PCF << 2;endEndassign PCPlus4F = PCF + 4;assign ImemRdAddrF = PCF;每個時鐘上升沿到來，根據(jù)上一個時鐘的 PCSrcM判斷是否為分支指令，若是，則選擇PCBranchM作為這個時鐘的指令地址，否則選 PCF+4作為這個指令的指令地址，另外對于 J 類指令，我設(shè)計了一個特定的 OpCode=“ 000010”，即為跳轉(zhuǎn)指令，因為每個指令以字節(jié)格式存

3、儲，占用 ,4 個字節(jié)，故將后 26 位立即數(shù)進行位擴展后將其左移兩位，效果等同于乘 4，再將其賦值給 PCF，這樣下一跳的指令地址即為所要跳轉(zhuǎn)的地址。對于這個部分， 我起先是準備將其設(shè)計成一個模塊的， 之后由于模塊接口連接時出現(xiàn)了無法解決的錯誤：輸出PCF要作為 Instruction Memory的輸入，又要作為自身模塊下一跳的輸入，導致三者關(guān)聯(lián)一起變化， 程序報錯，后來我又想到將PCF的輸出改成兩個， PCFout及 PCFnext，PCFout 作為 InstructionMemory的輸入， PCFnext 作為自身模塊下一跳的輸入，但是程序仍無法正常運行， 最后我想到了在 top

4、模塊中對 PCF進行處理并得以實現(xiàn)。.精品文檔2.Instruction Memory模塊initialbegin$readmemh("instruction", InstMem, 8'h0);endalways (ImemRdAddr)beginInstruction <= InstMemImemRdAddr>>2;end這個模塊很簡單，主要是通過instructin文檔來存儲指令，以PCF作為地址取出指令輸出至 Control ， SignExtend ， Register三個模塊。3.Ctr 模塊always (OpCode)begincas

5、e(OpCode)/ R-I/ addiu 6'b001001: beginRegDstD = 1; ALUSrcD = 1; MemtoRegD = 0; RegWriteD = 1;MemWriteD = 0;BranchD = 0;ALUOp = 2'b10;end/addi.endcaseendalways (ALUOp or Funct)begincasex(OpCode ,ALUOp, Funct)14'b10001100xxxxxx: ALUControlD = 5'b00010; / LW : add14'b00010001xxxxxx:

6、 ALUControlD = 5'b00110; / SW : substract beq.endcaseendendmodule.精品文檔Control模塊主要對來自InstructionMemory模塊的指令進行分解，得到OpCode(指令高六位 ) ，F(xiàn)unct（指令低六位），在通過分析 OpCode得到 RegDstD，ALUSrcD ，MemtoRegD， RegWriteD ，BranchD ，ALUOp這六個信號量， 用于后面的運算， 再使用 OpCode,ALUOp,Funct 三者的組合對指令的運算方法進行分析，得到相應的ALUControlD 輸出至 ALU模塊。4

7、.Register 模塊initialbegin$readmemh("register", regFile, 32'h0);end/ write on falling clock edgealways (posedge Clk)beginif(RegWrite = 1'b1)regFileRegWrAddr <= RegWrData;endassign RegARdData = (RegARdAddr >= 0)? regFileRegARdAddr:0; assign RegBRdData = (RegBRdAddr >= 0)? reg

8、FileRegBRdAddr:0;通過信號量 RegWrite 來判斷讀寫操作， RegWrite=1 即為寫操作， 0 為讀操作，讀寫皆操作于建立的 register 文檔中，另在 top 模塊中有assign RegARdAddr = InstructionD25:21;assign RegBRdAddr = InstructionD20:16;對寄存器地址賦值，register讀出的兩個數(shù)可供ALU選擇使用。5.ALU 模塊assign Zero = (ALURes = 0)? 1:0;/ALURes 0跳轉(zhuǎn)always (SrcA or SrcB or ALUCtr)beginOver

9、Flow = 0;TmpForSrcB = 0;HI=0;LO=0;A=0;B=0;case(ALUCtr)5'b10011:beginTmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;.精品文檔ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1'b0;endelseif (SrcA31 = TmpForSrcB31 &

10、;& ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1'b1;end.default: ALURes = 32'h0;endcaseendALU模塊進行的是運算操作， 本模塊通過來自 Control 模塊的 ALUCtr 判斷所要執(zhí)行的運算，在通過 Register 模塊讀出的值或者從 Instruction 中得到的立即數(shù)進行運算，結(jié)果 ALURes根據(jù)信號量 MemToReg來判斷是否寫入 DataMemory，這一塊寫在 top 中，另外ALU還對 Zero 信號量進行了賦值， Zero 信號量用于對分支指令的判斷。6.Data Memor

11、y 模塊initialbegin$readmemh("Data", DataMem, 10'h0);endalways (posedge Clk)beginif(DmemWrite = 1'b1)DataMemDmemAddr>>2 <= DmemWrData;endassign DmemRdData = (DmemWrite = 1'b0)? DataMemDmemAddr>>2:0; endmodule本模塊通過從 Ctr 模塊得來的信號量 DmemWrite選擇進行讀寫操作， 讀寫皆操作于所建立的 Data 文檔，

12、另外 DmemAddr左移兩位跟上述 PCF左移兩位異曲同工。7.top 模塊這個模塊相比前面的 6 個模塊要復雜得多，也是我在實驗時出現(xiàn)問題最多，所花時間最長的模塊。 Top 模塊主要用于各個模塊之間的數(shù)據(jù)連接，以及一些模塊外的操作。PCF的設(shè)計我是放在這個模塊的，另外像二選一數(shù)據(jù)選擇器我也是放在這里的，本來是寫了一個小模塊來做這個工作，但是本次試驗用到太多次二選一數(shù)據(jù)選擇器了，為了防止數(shù)據(jù)傳輸紊亂，我決定在 top中解決這個小操作。由于本模塊代碼太長，這里就不一一闡.精品文檔述，僅以 Ctr 的例化和接口連接為例簡要說明：Ctr Ctr(.OpCode(OpCode),.Funct(Fun

13、ct),.RegWriteD(RegWriteForCtrD),.MemtoRegD(MemtoRegD),.MemWriteD(MemWriteD),.BranchD(BranchD),.ALUControlD(ALUControlD),.ALUSrcD(ALUSrcD),.RegDstD(RegDstD);assign OpCode = InstructionD31 : 26;assign Funct = InstructionD5 : 0;assign RegWrDataD = (MemtoRegW)? ReadDataW : ALUOutW;always (posedge Clk)be

14、ginMemtoRegD_Reg = MemtoRegD;MemWriteD_Reg = MemWriteD;BranchD_Reg = BranchD;ALUControlD_Reg = ALUControlD;ALUSrcD_Reg = ALUSrcD;RegDstD_Reg = RegDstD;end輸入來源OpCode 來自于取指階段Instruction的高6 位， Funct來自于取指階段Instruction的低6 位， RegWriteD 通過信號量MemToRegW來選擇ReadDataW 或ALUOutW，輸出信號量 MemtoRegD，MemWriteD， BranchD

15、，ALUControlD ，ALUSrcD， RegDstD 作為 Reg 模塊的輸入。二、指令設(shè)計本次試驗實現(xiàn)了3 種 34 條指令，實驗時原以為指令格式為固定的，查閱很多資料都沒得到想要的OpCode與指令操作一一對應的關(guān)系，問了指導實驗的學長才知道，OpCode是自己設(shè)計的，后又參考自己動手寫cpu的指令設(shè)計技巧，才總結(jié)設(shè)計出指令。3 種指令：.精品文檔R 類型：具體操作由 OpCode，F(xiàn)unct 來控制， rs，rt 為源寄存器， rd 為目的寄存器， sa 為移位位數(shù)。I 類型：具體操作由 OpCode 控制， 低 16 位是立即數(shù)， 經(jīng)過位擴展作為另一個源操作數(shù)參與用算。J 類型

16、：具體操作由OpCode 控制，一般是跳轉(zhuǎn)指令，低26 位經(jīng)過位擴展作為目標地址。34條 指令：32b101011 00001 00100 000000000000010ALURes = SrcA - SrcB;Store 指令，判斷 00001 號寄存器的值是否等于 00100 號寄存器的值，若相等，則當前指令地址加 00000000000000010 ，否則執(zhí)行下一條指令；32b000000 00001 00010 00011 00000 100000TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + Tm

17、pForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1'b0;endelseif (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1'b1;endAdd 指令，有符號加法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行有符號加法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000101 00001 00010 00

18、00000000000010ALURes = (SrcA - SrcB);Bne 指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行比較，若不相等，則當前指令地址加 00000000000000010 ，否則執(zhí)行下一條指令；.精品文檔32b000100 00001 00010 0000000000000010ALURes = SrcA - SrcB;Beq 指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行比較，若相等，則當前指令地址加 00000000000000010 ，否則執(zhí)行下一條指令；32b000001 00001 00000 000000000000

19、0010ALURes = (SrcA >= 0)?0:1;Bgez 指令，實現(xiàn)00001 號寄存器的值與0 比較，若大于等于0，則當前指令地址加00000000000000010，否則執(zhí)行下一條指令；32b000111 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA > 0)?0:1;Bgtz指令，實現(xiàn)00001 號寄存器的值與0 比較，若大于0， 則當前指令地址加00000000000000010，否則執(zhí)行下一條指令；32b000110 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA <= 0)?0

20、:1;Blez指令，實現(xiàn)00001 號寄存器的值與0 比較，若小于等于0，則當前指令地址加00000000000000010，否則執(zhí)行下一條指令；32b010001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA < 0)?0:1;Bltz指令，實現(xiàn)00001 號寄存器的值與0 比較，若小于0， 則當前指令地址加00000000000000010，否則執(zhí)行下一條指令；32b100011 00001 00010 00011 00000 100001ALURes = SrcA + SrcB;Addu 指令，無符號加法指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器和

21、00002 號寄存器的值進行無符號加法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b100011 00001 00010 00011 00000 100011ALURes = SrcA - SrcB;subu 指令，無符號減法指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行無符號減法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100100ALURes = SrcA & SrcB;And 指令，與操作，實現(xiàn)將00001 號寄存器和00002 號寄存器的值進行與操作，結(jié)果放到00003 號寄存器中；32b000000

22、 00001 00010 00011 00000 100101ALURes = SrcA | SrcB;OR 指令，或操作，實現(xiàn)將 00001 號寄存器和00002 號寄存器的值進行或運算，結(jié)果放到 00003.精品文檔號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 101010ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0;slt 指令，有符號比較操作，實現(xiàn)將00001 號寄存器和00002 號寄存器的值進行有符號比較，若 SrcA < SrcB ，則置 1，否則置 0；32b000000 00001 00010 00011 00000 10

23、1010ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0;sltu 指令，無符號比較操作， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器和00002 號寄存器的值進行無符號比較，若 SrcA < SrcB ，則置 1，否則置 0；32b000000 00001 00010 00011 00000 011010ALURes = SrcA / SrcB;LO = SrcA / SrcB;HI = SrcA % SrcB;div 指令，有符號除法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行有符號除法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000000 00001 00010

24、 00011 00000 011000A = SrcA31:31?32'hffffffff, SrcA : 32'h00000000, SrcA;B = SrcB31:31?32'hffffffff, SrcB : 32'h00000000, SrcB;Temp = A * B ;ALURes = Temp31:0;HI = Temp63:32;LO = Temp31:0;mul 指令，有符號乘法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行有符號乘法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011

25、 00000 000100ALURes = (SrcB << SrcA);sllv 指令，邏輯可變左移指令，實現(xiàn)將00001 號寄存器的值左移00002 號寄存器的值位，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 000100ALURes = (SrcB >> SrcA);srlv 指令，邏輯可變右移指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值右移 00002 號寄存器的值位，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcB

26、>> SrcA);xor 指令，異或指令，實現(xiàn)將00001 號寄存器的值和00002 號寄存器進行異或，結(jié)果放到00003 號寄存器中；.精品文檔32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcA SrcB);xor 指令，異或指令，實現(xiàn)將00001 號寄存器的值和00002 號寄存器進行異或，結(jié)果放到00003 號寄存器中；32b001001 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addiu 指令，無符號立即數(shù)加法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值和立即

27、數(shù)進行無符號加法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b001100 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addi 指令，有符號立即數(shù)加法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值和立即數(shù)進行有符號加法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b001101 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA | SrcB;ori 指令，立即數(shù)或指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值和立即數(shù)進行或運算， 結(jié)果放到 00002 號寄存器中；32b001101 00001 00010 00011

28、00000 000000ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0;slti 指令，有符號立即數(shù)比較操作，實現(xiàn)將00001 號寄存器的值和立即數(shù)進行有符號比較，若 SrcA < SrcB ，則置 1，否則置 0；32b001110 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = (SrcA SrcB);xori 指令，立即數(shù)異或指令，實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值和立即數(shù)進行異或運算，結(jié)果放到 00002 號寄存器中；32b001011 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA < Src

29、B ? 1:0;slti 指令，無符號立即數(shù)比較操作，實現(xiàn)將00001 號寄存器的值和立即數(shù)進行無符號比較，若 SrcA < SrcB ，則置 1，否則置 0；32b000000 00001 00010 00011 00001 000000ALURes = (SrcB << SrcA);sll 指令，邏輯左移指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值左移sa 位，結(jié)果存入 00002 號寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00001 000010ALURes = (SrcB >> SrcA);srl 指令，邏輯右移指令， 實現(xiàn)將 0000

30、1 號寄存器的值右移sa 位，結(jié)果存入 00002 號寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00001 000111.精品文檔j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;/*for(i = 0; i < TmpForSrcA; i = i+1)beginALURes = j,31'h0 | (ALURes >> 1);srav 指令，算術(shù)可變右移指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器的值算術(shù)右移 sa 位，結(jié)果存入 00002 號寄存器；32b000000 00001 00010 0001

31、1 00001 000011j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;TmpForSrcB = TmpForSrcB>>SrcA;if (j)beginALURes = (TmpForSrcB31:31), TmpForSrcB30:0;endelsebeginALURes = TmpForSrcB;endsra 指令，算術(shù)右移指令，實現(xiàn)將 00002 號寄存器的值算術(shù)右移 00001 號寄存器的值位，結(jié)果存入 00003 號寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00000 100010ALURes = SrcA - SrcB;sub 指令，有符號減法指令， 實現(xiàn)將 00001 號寄存器和 00002 號寄存器的值進行有符號減法，結(jié)果放到 00003 號寄存器中；32b001000 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addi 指令，立即數(shù)加法指令，實現(xiàn)將 000