計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告1-單周期

1、電腦組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告開發(fā)單周期處理器Q:10649503642015.05.12文檔目錄：1、功能設(shè)計(jì)說明2、模塊化和分層設(shè)計(jì)說明3、定義特定模塊4、測試代碼和結(jié)果5、實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間表6、經(jīng)驗(yàn)1、功能設(shè)計(jì)說明1.完成的腳本：A) add、sub、and、or、SLT、lw、SW、beq和j命令。b)溢出支持渡邊杏箱。2.處理器到單循環(huán)設(shè)計(jì)。3.功能模塊統(tǒng)一采用書201頁的圖4-24設(shè)計(jì)，信號(hào)控制使用書193頁的圖4-12和200頁的圖4-22的真值表簡化。2、模塊化和分層設(shè)計(jì)說明3、定義特定模塊數(shù)據(jù)路徑：1)定義PC模塊：(1)基本說明PC的主要功能是完成當(dāng)前命令地址的輸出。重置后，PC將指向0

2、x0000_0000。其中是第一個(gè)命令的地址。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明31:0addressI輸入的命令地址ClkI時(shí)鐘信號(hào)RstI重置信號(hào)31:0outo輸出命令地址(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1重置當(dāng)Rst=1時(shí)，將out設(shè)置為0X0000_00002輸出命令地址當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)，將address分配給out2)NPC模塊定義：(1)基本說明NPC的主要功能是根據(jù)當(dāng)前命令是否為beq指令輸出以下指令的地址：牙齒模塊調(diào)用MUX模塊。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明1533600 im addrI指令的低16位元零和IALU計(jì)算結(jié)果：1表示兩個(gè)寄存器(rs、rt)的當(dāng)前值相同。0表示不相

3、等。BrI是否為Beq命令。1是0否31:0pcI輸入當(dāng)前指令地址31:0npco以下命令地址輸出(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出命令地址根據(jù)零和zero的值輸出以下命令的地址：3)定義ALU模塊：(1)基本說明如果小于、加、減、和、或，則執(zhí)行1、5茄子計(jì)算。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明2:0aluctrlIALU控制信號(hào)31:0AIRs寄存器值31:0BIRt寄存器值零和oA- B=0時(shí)，zero=1；否則，零=0。31:0resultoAlu計(jì)算結(jié)果。(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出計(jì)算結(jié)果根據(jù)Alu控制信號(hào)輸出a和b的計(jì)算結(jié)果2Zero導(dǎo)出如果Result=0輸出Zero

4、=1。否則，輸出zero=0。4)MUX模塊定義：(1)基本說明實(shí)現(xiàn)32位和5位2選擇數(shù)據(jù)選擇器(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明sIMUX控制信號(hào)31:0d0/433600 d0IMUX輸入31:0d1/433600 D1IMUX輸入31:0y/433600 yoMUX輸出(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出D0或D1的值s為0，y=d0s為1，y=d1。5)定義EXT模塊：(1)基本說明將輸入的16位地址擴(kuò)展到符號(hào)位32位。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明1533600 addrinI輸入的16位地址31:0addrouto輸出的32位地址(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出擴(kuò)展32位地址。

5、將Addrin擴(kuò)展到32位addrout。6)定義regfile模塊：(1)基本說明根據(jù)輸入的兩個(gè)寄存器地址輸出相應(yīng)的寄存器值，然后根據(jù)寄存器寫入信號(hào)和寄存器地址將輸入數(shù)據(jù)選擇記錄在寄存器中。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明ClkI時(shí)鐘信號(hào)4:0rreg1IRs寄存器地址4:0rreg2IRt寄存器地址31:0rdata1oRs寄存器值31:0rdata2oRt寄存器值RegwI使用寄存器信號(hào)433600 wregIRt寫寄存器地址31:0wdataI寄存器寫入信號(hào)(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1讀取寄存器數(shù)據(jù)Rs、rt讀取寄存器數(shù)據(jù)2將數(shù)據(jù)寫入寄存器根據(jù)寫入信號(hào)將數(shù)據(jù)寫入寄存器選擇7)im_

6、4k模塊定義：(1)基本說明命令內(nèi)存大小4K初始化code.txt中的命令加載。根據(jù)輸入的指令地址輸出存儲(chǔ)在當(dāng)前位置的指令。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明9:0addrI命令地址31:0douto指令(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1加載命令初始化加載Code.txt的命令2輸出命令根據(jù)輸入的命令地址輸出當(dāng)前命令8)dm_4k模塊定義：(1)基本說明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大小4K根據(jù)輸入的地址讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)寫入信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)選擇寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明ClkI時(shí)鐘信號(hào)9: 0 addrI數(shù)據(jù)地址31:0dinI記錄的數(shù)據(jù)WeI數(shù)據(jù)內(nèi)存寫入信號(hào)31:0douto讀取

7、的數(shù)據(jù)(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1讀取數(shù)據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)地址讀取數(shù)據(jù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)不一定使用，只能使用lw指令。2將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)內(nèi)存當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)，根據(jù)寫入數(shù)據(jù)信號(hào)將輸入數(shù)據(jù)選擇寫入數(shù)據(jù)內(nèi)存。9)Jump模塊定義：(1)基本說明將輸入的低26位命令配置為向左2位、高4位、PC 4高4位的32位地址輸出。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明2533600 addrinI低26位命令31:0pcI當(dāng)前PC31:0addrouto計(jì)算的32位地址(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出j跳轉(zhuǎn)地址輸出的32位地址是J命令將跳轉(zhuǎn)到的地址。10) ALUCtrl模塊定義：(1)基本說明

8、根據(jù)指令的低6位(function字段)和輸入的aluop控制信號(hào)，使用真值表簡化輸出3位ALU控制信號(hào)。真值表利用書193頁圖4-12。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明5:0funcI命令低6位1:0aluopIAluop控制信號(hào)2:0aluctrloAlu控制信號(hào)(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出ALU控制信號(hào)利用真值表簡化輸出ALU控制信號(hào)。11)控制器模塊定義：(1)基本說明輸入的指令高度6位元(Op欄位)、簡化真值表、輸出Regdst、Alusrc、Memtoreg、Regwrite、Memwrite、Branch、J、ALUOp控制信號(hào)。真值表是書的200頁也是4-22加上J指令

9、的輸入輸出。其中，高阻狀態(tài)設(shè)定為0?？梢允÷訫emRead信號(hào)。(2)模塊接頭信號(hào)名方向說明533600 opI指令高度6位元RegDstoRd寄存器控制信號(hào)ALUSrcoALU數(shù)據(jù)源控制信號(hào)MemtoRego數(shù)據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)記錄在寄存器控制信號(hào)中RegWriteo寄存器寫入控制信號(hào)MemWriteo數(shù)據(jù)內(nèi)存寫入控制信號(hào)卜拉奇oBeq命令控制信號(hào)J.oj命令控制信號(hào)1:0ALUOpoALUOp控制信號(hào)(3)功能定義序號(hào)功能名稱功能說明1輸出各種控制信號(hào)根據(jù)輸入OP，使用真值表簡化輸出各種控制信號(hào)。4、測試代碼和結(jié)果1)測試代碼和結(jié)果：在Regfile模塊中，初始化17($s1)、18($s2)和2

10、0($s4)寄存器的值分別為8、4和12。Add $s3、$s2、$s1 /$s3=4 8=12Sub $s5、$s4、$s3 /$s5=12-12=0Beq $s3、$s4、LI /$s3=$s4、LI軟件$s2，1($s1)Lw $s3，1($s1)Li:和$ S5、$ S4、$ S3/$ S5=$ S4 $ S3=12Or $s5、$s3、$s1 /$s5=$s4 | $s3=12Slt $s5、$s3、$s1 /$s3$s1、$s5=0Sw $s2，1($s1) /示例4Lw $s3，1($s1) /4至$s3載入J LI /跳躍2)產(chǎn)生的十六進(jìn)位檔案(code.txt):025198

11、20 /add $s3，$s2，$s10293a822 /sub $s5，$s4，$s312740002 /beq $s3、$s4、LIAe320001 /SW $s2，1($s1)8e330001 /lw $s3，1($s1)0293a824/li3360和$ S5，$ S4，$ S30271a825 /或$s5，$s3，$s10271a82a /SLT $s5，$s3，$s1Ae320001 /SW $s2，1($s1)8e330001 /lw $s3，1($s1)08100005 /j LI5、實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間表1、實(shí)驗(yàn)2小時(shí)前看了Verilog語法，用ModelSim運(yùn)行了PPT給的counter程序。2、實(shí)驗(yàn)課上，根據(jù)老師寫了各模塊，到目前為止，各模塊已經(jīng)基本寫完了。3.中午還不到一個(gè)小時(shí)就渡邊杏了，寫下控制信號(hào)和頂層模塊，只剩下測試工作了。4.中午運(yùn)行測試程序約30分鐘，以便完成調(diào)試。5、全部完成時(shí)間在10小時(shí)以內(nèi)。6、經(jīng)驗(yàn)通過牙齒實(shí)驗(yàn)，對(duì)硬件編程有了更深的理解。以前參加了學(xué)校PLD賽前訓(xùn)練(時(shí)間太緊，比賽放棄了)，利用Vivado跑了測試程序，當(dāng)時(shí)對(duì)一塊模擬還不太了解，這次實(shí)驗(yàn)更加理解了。(威廉莎士比亞，Northern Exposure(美國電視電視劇)，單周期處理器認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步加深。在開發(fā)初期，受