计算机组成原理实验报告单周期CPU的设计与实现文档格式.docx
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二、实验室名称:
主楼A2-411
三、实验项目名称:
单周期CPU的设计与实现。
四、实验学时:
8学时
五、实验原理:
(一)概述
【
单周期(SingleCycle)CPU是指CPU从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。
—
一条指令的执行过程包括:
取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。
对于单周期CPU来说,这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。
(二)单周期cpu总体电路
本实验所设计的单周期CPU的总体电路结构如下。
(三)MIPS指令格式化
MIPS指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。
本实验的MIPS指令选用MIPS-32。
以下所说的MIPS指令均指MIPS-32。
MIPS的指令格式为32位。
下图给出MIPS指令的3种格式。
本实验只选取了9条典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电路的设计方法。
下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS指令。
六、实验目的
、
1、掌握单周期CPU的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法,如控制器、运算器等。
2、认识和掌握指令与CPU的关系、指令的执行过程。
3、熟练使用硬件描述语言Verilog、EDA工具软件进行软件设计与仿真,以培养学生的分析和设计CPU的能力。
七、实验内容
(一)拟定本实验的指令系统,指令应包含R型指令、I型指令和J型指令,指令数为9条。
(二)CPU各功能模块的设计与实现。
(三)对设计的各个模块的仿真测试。
(四)整个CPU的封装与测试。
八、,
九、实验器材(设备、元器件):
(一)安装了XilinxISEDesignSuite的PC机一台
(二)FPGA开发板:
AnvylSpartan6/XC6SLX45
(三)计算机与FPGA开发板通过JTAG(JointTestActionGroup)接口连接,其连接方式如图所示。
一十、实验步骤
一个CPU主要由ALU(运算器)、控制器、寄存器堆、取指部件及其它基本功能部件等构成。
在本实验中基本功能部件主要有:
32位2选1多路选择器、5位2选1多路选择器、32位寄存器堆、ALU等。
(一)新建工程(NewProject)
'
启动ISEDesignSuite软件,然后选择菜单File→NewProject,弹出NewProjectWizard对话框,在对话框中输入工程名CPU,并指定工作路径D:
\Single_Cycle_CPU。
(二)基本功能器件的设计与实现
(1)多路选择器的设计与实现
位2选1多路选择器(MUX5_2_1)的设计与实现
在ISE集成开发环境中,在工程管理区任意位置单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择NewSource命令,创建一个VerilogModule模块,名称为:
MUX5_2_1,然后输入其实现代码:
moduleMUX5_2_1(
input[4:
0]A,
0]B,
inputSel,
output[4:
0]O
);
assignO=SelB:
A;
endmodule
在ISE集成开发环境中,对模块MUX5_2_1进行综合(Synthesize),综合结果如图所示:
在ISE集成开发环境中,对模块MUX5_2_1进行仿真(Simulation)。
输入如下测式代码:
moduleMUX5_2_1_T;
…
(A),
.B(B),
.sel(sel),
.C(C)
initialbegin
(A),
。
.O(O)
A=0;
B=0;
sel=0;
(d),
:
.o(o)
n1(Rn1),
.Rn2(Rn2),
.Wn(Wn),
.Write(Write),
.Wd(Wd),
.A(A),
.Clock(Clock)
(A),
.ALU_operation(ALU_operation),
)
.Result(Result),
.Zero(Zero)
p(op),
.RegDst(RegDst),
.RegWrite(RegWrite),
.ALUSrc(ALUSrc),
;
.MemWrite(MemWrite),
.MemRead(MemRead),
.MemtoReg(MemtoReg),
.Branch(Branch),
.ALUctr(ALUctr)
;
.func(func),
]
.ALU_op(ALU_op)
~
lock(clock),
.reset(reset),
.b_addr(b_addr),
.Z(Z),
.inst(inst),
.o_addr(o_addr),
.o_sum(o_sum),
.o_sum1(o_sum1)
eset(Reset),
.Clock(Clock),
.Inst(Inst),
|
.Data(Data),
.B_data(B_data),
.NextPC(NextPC)
ddress(address),
.inst(inst)
lock(Clock),
.Reset(Reset),
.Pc(Pc),
@
.Aluout(Aluout),
.B_data(B_data)
//InitializeInputs
Clock=0;
Reset=0;
//Wait100nsforglobalresettofinish
#100;
Clock=~Clock;
Reset=1;
?
《
¥
end
然后进行仿真,仿真结果如图:
在该转移的地方进行了转移,成功。
一十一、实验数据及结果分析:
在一个时钟周期内所设计的CPU能够完成一条指令的执行,指令执行结果与预期的结果是一致的。
通过仿真可以看到最终顺利实现了每个模块的功能,成功解决了之前出错的PC转移问题,整个CPU按照设计好的指令运行。
一十二、实验结论:
单周期CPU在一个时钟周期完成指令的所有执行步骤,简化了CPU的设计,但是这样没有考虑不同部件完成时间上的差异,所以导致CPU各部件的利用率不高,采用多周期流水线CPU可以提高利用率,但是难度也会增大许多。
一十三、总结及心得体会:
我本身对这次实验很兴趣,指导教师陈老师也非常和蔼耐心地指导,所以比较顺利地完成了整个实验。
本次实验完全是独立完成,没有任何抄袭,包括实验报告的编写,每一段代码都是自己写出来的,每一张图片也都是自己截的图,虽然整个过程花的时间比较多,但确实收获很多,很开心,也希望能得到一个好的成绩。
本次实验让我切实感受到了仿真的好处,计算机仿真在实际生产中的作用,也很好地锻炼了自己的逻辑思维能力,对课堂第四章第五章的内容有了更为深刻的理解。
要合理地将本次实验中“把庞大的部件分割为许多小部件,逐一解决”的方法运用到对其它问题的解决中。
一十四、对本实验过程及方法、手段的改进建议:
建议增加2个实验学时,同时将要实现的指令增加为十一条,增加运算器溢出信号Overflow、判断溢出的加法运算,以及J型指令的设计与实现,从而进一步锻炼自己。
报告评分:
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- 计算机 组成 原理 实验 报告 周期 CPU 设计 实现