1、計算機組成原理與接口技術(shù)實驗學院名稱：學生姓名：學 號：專業(yè)（班級）：合作者：時間：2016 年 4 月 25 日實驗實驗目的1. 掌握單周期CP嗷據(jù)通路圖的構(gòu)成、原理及其設(shè)計方法；2. 掌握單周期CPU勺實現(xiàn)方法，代碼實現(xiàn)方法；3. 認識和掌握指令與CPU勺關(guān)系；4. 掌握測試單周期CPU勺方法。實驗內(nèi)容設(shè)計一個單周期CPU該CPU!少能實現(xiàn)以下指令功能操作。需設(shè)計的指令與格式如下:=算術(shù)運算指令(1) add rd , rs, rt(說明：以助記符表示，是匯編指令；以代碼表示，是機器指令)000000rs（5 位）rt（5 位）rd（5 位）reserved功能：rdrs + rt 。 r

2、eserved為預留部分，即未用，一般填"0"。（2） addi rt , rs , immediate000001rs（5 位）rt（5 位）immediate （16 位）功能：rt rs + （sign-extend） immediate ; immediate 符號擴展再參加"加”運算。（3） sub rd , rs , rt000010rs（5 位）rt（5 位）rd（5 位）reserved完成功能：rd rs - rt=邏輯運算指令（4） ori rt , rs , immediate010000rs（5 位）rt（5 位）immediate （16

3、 位）功能：rt rs | （zero-extend） immediate ; immediate 做"0"擴展再參加"或"運算5 5） and rd , rs , rt010001rs（5 位）rt（5 位）rd（5 位）reserved功能：rdrs & rt ;邏輯與運算。（6） or rd , rs , rt010010rs（5 位）rt（5 位）rd（5 位）reserved功能：rdrs | rt ;邏輯或運算。=傳送指令（7） move rd , rs100000rs（5 位）00000rd（5 位）reserved功能：rdrs

4、+ $0; $0=$zero=0。=存儲器讀/寫指令（8） sw rt , immediate（ rs） 寫存儲器100110rs（5 位）rt（5 位）immediate （16 位）功能： memoryrs+ （sign-extend） immediate rt ; immediate 符號擴展再相力口。（9） lw rt , immediate （rs） 讀存儲器100111rs（5 位）rt（5 位）immediate （16 位）功能：rt memoryrs + （sign-extend） immediate ; immediate 符號擴展再相加。=>分支指令（10） beq

5、 rs,rt, immediate110000rs（5 位）rt（5 位）immediate （位移量，16 位）功能：if（rs=rt） pc -pc + 4 + （sign-extend） immediate <<2;特別說明：immediate是從PC+4地址開始和轉(zhuǎn)移到的 指令之間指令條數(shù)。immediate符 號擴展之后左移2位再相加。為什么要左移2位由于跳轉(zhuǎn)到的指令地址肯定是4的倍數(shù)（每條指令占4個字節(jié)），最低兩位是“ 00”，因此將immediate放進指令碼中的時候，是右移 了 2位的，也就是以上說的“指令之間指令條數(shù)”。=停機指令（11） halt11111100

6、000000000000000000000000（26 位）功能：停機；不改變 PC的值，PC保持不變。三.實驗原理單周期CPU指的是一條指令的執(zhí)行在一個時鐘周期內(nèi)完成，然后開始下一條指令的執(zhí)行，即一條指令用一個時鐘周期完成。電平從低到高變化的瞬間稱為時鐘上升沿，兩個如果晶振相鄰時鐘上升沿之間的時間間隔稱為一個時鐘周期。時鐘周期一般也稱振蕩周期( 的輸出沒有經(jīng)過分頻就直接作為 CPU的工作時鐘，則時鐘周期就等于振蕩周期。若振蕩周期經(jīng)二分頻后形成時鐘脈沖信號作為 CPU的工作時鐘，這樣，時鐘周期就是振蕩周期的兩倍。)CPU 在處理指令時，一般需要經(jīng)過以下幾個步驟：(1) 取指令(IF)：根據(jù)程序

7、計數(shù)器 PC中的指令地址，從存儲器中取出一條指令，同時,PC根據(jù)指令字長度自動遞增產(chǎn)生下一條指令所需要的指令地址，但遇到“地址轉(zhuǎn)移”指令 時，則控制器把“轉(zhuǎn)移地址”送入PC,當然得到的“地址”需要做些變換才送入PC(2) 指令譯碼(ID):對取指令操作中得到的指令進行分析并譯碼，確定這條指令需要完成的操作，從而產(chǎn)生相應的操作控制信號，用于驅(qū)動執(zhí)行狀態(tài)中的各種操作。(3) 指令執(zhí)行(EXE):根據(jù)指令譯碼得到的操作控制信號，具體地執(zhí)行指令動作，然后轉(zhuǎn)移到結(jié)果寫回狀態(tài)。(4) 存儲器訪問(MEM：所有需要訪問存儲器的操作都將在這個步驟中執(zhí)行，該步驟給 出存儲器的數(shù)據(jù)地址，把數(shù)據(jù)寫入到存儲器中數(shù)據(jù)地

8、址所指定的存儲單元或者從存儲器中得 到數(shù)據(jù)地址單元中的數(shù)據(jù)。(5) 結(jié)果寫回(WB：指令執(zhí)行的結(jié)果或者訪問存儲器中得到的數(shù)據(jù)寫回相應的目的寄存器中。單周期CPU是在一個時鐘周期內(nèi)完成這五個階段的處理。r 取指令 一> 指令譯碼 指令執(zhí)行> 存儲器訪問一,結(jié)果寫回圖1單周期CPU指令處理過程MIPS32的指令的三種格式:R類型：3126 2521 2016 1511 106 50oprsrtrdsafunc6位 5 位 5 位 5 位 5 位 6 位I類型：3126 2521 2016 150oprsrtimmediate6位 5 位 5 位16位J類型:3126 250opaddr

9、ess6位26位其中，op：為操作碼；rs :為第1個源操作數(shù)寄存器，寄存器地址（編號）是 0000011111, 001F;rt :為第2個源操作數(shù)寄存器，或目的操作數(shù)寄存器，寄存器地址（同上） ；rd:為目的操作數(shù)寄存器，寄存器地址（同上）；sa：為位移量（shift amt ）,移位指令用于指定移多少位；func :為功能碼，在寄存器類型指令中（ R類型）用來指定指令的功能；immediate ：為16位立即數(shù)，用作無符號的邏輯操作數(shù)、 有符號的算術(shù)操作數(shù)、 數(shù)據(jù)加 載（Laod）/數(shù)據(jù)保存（Store ）指令的數(shù)據(jù)地址字節(jié)偏移量和分支指令中相對程序計數(shù)器（PC）的有符號偏移量；addr

10、ess :為地址。*曲/3 口P寫曲廿InsMefnRWChlisMsniRWLIDataOunIDMalnIni. MEMIJAddrrwi WFMw i 5-, nilExtS«lextendMain圖2單周期CPU數(shù)據(jù)通路和控制線路圖RW lAtfdr亞ControlALUSrcBUniti<*aa忖自浜ALUCVALUR4giittr Hl*Ryddi Dalw?rg«u IL圖2是一個簡單的基本上能夠在單周期上完成所要求設(shè)計的指令功能的數(shù)據(jù)通路和必要的控制線路圖。其中指令和數(shù)據(jù)各存儲在不同存儲器中，即有指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。訪問存儲器時，先給出地址，然后由

11、讀/寫信號控制（1-寫，0-讀。當然，也可以由時鐘信號控制，但必須在圖上標出）。對于寄存器組，讀操作時，先給出地址，輸出端就直接輸出相應數(shù)據(jù)；而在寫操作時，在WE使能信號為1時，在時鐘邊沿觸發(fā)寫入。圖中控制信號作用如表1所示，表2是ALU運算功能表。表1控制信號的作用控制信號名狀態(tài)“ 0”狀態(tài)“1”PCWrePC7、更改，相關(guān)指令：haltPC更改，相關(guān)指令：除指令 halt外ALUSrcB來自寄存器堆data2輸出，相關(guān)指 令：add、sub、or、and、move beq來自sign或zero擴展的立即數(shù)，相關(guān)指令： ori、sw、lwALUM2Reg來自ALU運算結(jié)果的輸出，相關(guān)指令：a

12、dd、sub、ori、or、and、move來自數(shù)據(jù)存儲器（Data MEM）的輸 出，相關(guān)指令：lwRegWre無寫寄存器組寄存器，相關(guān)指令：sw、halt寄存器組寫使能，相關(guān)指令：add、sub、ori、or、and、move、lwInsMemRW讀指令存儲器（Ins. Data）,初始化為0寫指令存儲器DataMemRW讀數(shù)據(jù)存儲器，相關(guān)指令：lw寫數(shù)據(jù)存儲器，相關(guān)指令：swExtSel相關(guān)指令：ori , (zero-extend) immediate (0 擴展)相關(guān)指令：sw、lw、beq,(sign-extend) immediate (# 擴展)PCSrcPOPC+4,相關(guān)指令

13、：add、 sub、 ori、or、and、move、sw、lw、 beq(zero=0)P- PC+4+(sign-extend) immediate ,同時zero=1 ,相關(guān)指令：beqRegOut寫寄存器組寄存器的地址，來自rt字段，相關(guān)指令：ori、lw寫寄存器組寄存器的地址，來自 rd字段，相關(guān)指令：add、sub、and、or、 moveALUOp2.0ALU 8種運算功能選擇（000-111）,看功能表相關(guān)部件及引腳說明:Instruction Memory :指令存儲器，laddr ,指令存儲器地址輸入端口IDataln ,指令存儲器數(shù)據(jù)輸入端口（指令代碼輸入端口）IData

14、Out ,指令存儲器數(shù)據(jù)輸出端口（指令代碼輸出端口）RW ,指令存儲器讀寫控制信號，為 1寫，為。讀Data Memory :數(shù)據(jù)存儲器，Daddr ,數(shù)據(jù)存儲器地址輸入端口Dataln ,數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)輸入端口DataOut ,數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)輸出端口RW ,數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制信號，為 1寫，為。讀Register File :（寄存器組）Read Reg1, rs寄存器地址輸入端口Read Reg2, rt寄存器地址輸入端口Write Reg ,將數(shù)據(jù)寫入的寄存器端口，其地址來源rt或rd字段Write Data,寫入寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口Read Datalrs寄存器數(shù)據(jù)輸出端口Read D

15、ata2 , rt寄存器數(shù)據(jù)輸出端口WE ,寫使能信號，為1時，在時鐘上升沿寫入ALUresult , ALU運算結(jié)果zero ,運算結(jié)果標志，結(jié)果為 。輸出1,否則輸出0表2 ALU運算功能表ALUOp2.0功能描述000A +B加001A -B減010B -A減011A VB或100A AB與101/ A ABA非與B110AB異或111A OB同或需要說明的是根據(jù)要實現(xiàn)的指令功能要求畫出以上數(shù)據(jù)通路圖，和確定ALU的運算功能（當然，以上指令沒有完全用到提供的ALU所有功能，但至少必須能實現(xiàn)以上指令功能操作）。從數(shù)據(jù)通路圖上可以看出控制單元部分需要產(chǎn)生各種控制信號，當然，也有些信號必須要傳

16、送給控制單元。從指令功能要求和數(shù)據(jù)通路圖的關(guān)系得出以上表1,這樣，從表1可以看出各控制信號與相應指令之間的相互關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系就可以得出控制信號與指令之間的關(guān)系表（留給學生完成），再根據(jù)關(guān)系表可以寫出各控制信號的邏輯表達式，這樣控制單元部分就可實現(xiàn)了。指令執(zhí)行的結(jié)果總是在下個時鐘到來前開始保存到寄存器、或存儲器中，PC的改變也是在這個時候進行。 另外，值得注意的問題，設(shè)計時，用模塊化的思想方法設(shè)計，關(guān)于ALU設(shè)計、存儲器設(shè)計、寄存器組設(shè)計等等，也是必須認真考慮的問題。可以參考其他資料文檔,里面有相應的設(shè)計方法介紹四.實驗器材電腦一臺、Xilinx ISE軟件一套。五.實驗分析與設(shè)計模塊分析：

17、根據(jù)單周期CP嗷據(jù)通路和控制線路圖，大致可以將CP分為右圖七個模塊，每個模塊負責一個部分的功能：（代碼存于code文件夾）CPU”)cu - CU (CU.v)programCounter - PC (PC.v) rom - ROM (ROM+v) ram - RAM RAMMregfife * RF (RF.v)sign Extend - SE (SE.v)alu - ALU (ALU.v)output, unused門regwzxc 31:0pc;wire PCWre, 3kLU5rcBf ALDM2Reg,< R.-egWr'ef TnsMesHRNp DataMemR*.

18、 Ext5el, FCSrcf RegChJtr nw;wire 2;QAL.DOp；wl£e SlsOJALOJIk,ALU_RESVLT. RciadDeLtaZ, RaHDacfliOux, ljmedla». vrlxeDaa;wxxc 4:0JwxxteReg;wire 4x0 rsr rtr rd：w二工e15:0 hattiisiellate:assign. ndiiBftncft = FCWre;rs xnartictioDliS:!1!;assjigr： rt . instruction 120 e 16);也與自立。島 rd ihdcruecion15;

19、111：asalgfL writeReg - (RegOutlf ? rd : rc;aiBi?n wrixcDaca " (U.UM2 Reg ? Rut)Out : ALU_RESULT;a9Bign ALOSrcB? imucdiate s ReadData2;（圖的下方為各個模塊的變量，在后圖會出現(xiàn)，故省略 ）CPU負責各模塊之間的數(shù)據(jù)的傳輸，如同cm言中的頭文件，將其他的子模塊連接在一起,其中clk信號在此聲明。module CUtinpuc 5 eOH ItipUL ZE 工白.output RcTOutf/outputoutput InsMsmRW, oticpui:

20、PCWrefoutput ExcSel.r 31itp 口占二ailPMTRXr 口二*U_JM2ReJr4t ALSr3t o-cput PCSrc,oupuc 2 :Q ALUCp, 口;itput Re jWrereq i_addr iaddi,i_arit3nLi1,i or, i TE3VC, i 3W, i lw, I btq, i halt;alwavaS(op) begin i_4dd * Or i_addi "。； i 9ub w 0; 0； i_ind * 0; i_or - 0; i_ifiove * 0; 土_sw = 0; 1 lu « 0； i_

21、beq = 0; x_halt - 0;C43e yp,bCOOOOO: i_add = 1; 6-bOOOOOl: laddi - 1; f bOOQOiQ：工丁uta = J； tbGlCOOO : i_on = 1; e'bQlOQOlt Qnd I： C'bOlOOlO： i_or - 1； C'blOQOQO： i_move _ 1; 6*bl00110: 13v - 1： *blD0111: llw - 1;«'bllOOOQ;匚皿- 1; 6'bllllll:- 1;enlease endaflaiQH PCWre !i_haIt

22、:aadln ALUSxcB l_addi | l_orl | l_Lwj4«aign ALUHZHeg i_lw;assign RegWre !i_sw | i_beq);asjiQr: InaHeitAK 0;ejxgn 。二iffwnJlW - i_s;assign ExtSel * 1 i_cn;aasujr: PCS re . i_beq & zero):aadlgn Rugu匕" ! l_dddl I l_ori I A_lw) rassign 痛LU" " i and, i ori | 1 ait 1 sub | i ori | i

23、 or | 1 beq;cndEEDduleCU Cl責指令的解析，即將由 RO瞰取的指令轉(zhuǎn)化為操作發(fā)送給其他子模塊進行操作。£_2二t FC ( mpJt elk, input PCWre 上 |_t 口二 E二U/ 二"匚t :。 jjnttdia:1tliau-pi2t rea31:0rc$ / * tee clericH slcse or open/ qe jjmedlatre Izittgex ox nczf '2L 二二。七：f/ output aaaresainitial begin/ initialpc * 32*naooQoaaa*alwayjJp

24、ejedge cllc 匕wgx兄/ 二th士 infLrv:tioit (Fcwre 一 二卜pc <= (E*CSrc 0 7 (pc + 1 ; (pc * 1 + imecUHm eadPC負責指令的計數(shù)，已經(jīng)指令的向前或向后跳動，每個時鐘周期計數(shù)加一。artodule ROM (ijiput RWr/ xead or na xeadinput 31:0| LEsAddzess r； j t ne aH-Lre5± 二星 dat aoutput 312OJInsOut/ data which needs 亡c 0口七手口);reg 31:0J renry0： 121 ;

25、/ inirtai The ryinitial begin/ anly once專二 3C 1 口 31 t £ 工 W CJ ! Hr"黑'W r，, m«ncry);end，/ it (RRf = 0)/ readCPU勺指令文件即由RO讖取，只讀，在電腦中表現(xiàn)為 BIOSW數(shù)過日g二q口 InaOuz = iEen;cry InsAddjreaa: «ndftLOdl«ROM即存儲器，發(fā)送信息，據(jù)文件。module RAM I.E*a - rj- .: 1Ci s rf Q 上-i u3 xn_n /;節(jié)1 131:0Datain

26、rintut ：0DaaAldroutput (31:0Dac&Out)；reg 31 < C) teixoxy 0:1；7；inLcex x；inirial begintor (1 = 0: 1 < 12C: 1 1= 1+1)HEEL 二工¥工-0；end自331m DaaO-Ju = meiaory£I>ataAdcl* ialwaya0 <p= sedge clkl gqin“IRK - 1) ryEaeiAdir - Daralri； end- diMac$s的儲存地點。RAM內(nèi)存，可讀可寫，用來保存臨時數(shù)據(jù)，匯編語言中的|ffic

27、dule RFxnjp-j.t. cliCjiinput WE#input (4 i 0 R.eadKeglr:Lnpak 4 : ReadK.eg2 rinput 1：DWxxteRegf input (31:ojKrlTeDataoutput 31:0 ReadJDaxal f c atpuz 31;0ReadDataZtneclcaie or open*he address t-he address * El： add工包與3 / cne dataiflll TTill T 1H 3" - 1 醇cuzpuc2of of ofw?iich need to write/ 31 *

28、 32tlt xegistexzeg (31:0) register1:31:xnttger 1;/ ihiciaI the registerinitial begin/ oni/ oncefor ti " 1? x < 32; 1*1 + 1) reglazez1 = Qi tndassign 典emtSDat白 1 = 0| ? 0 : registerR&aclBejl|iassign ReadData = (Readftjegl = Ok ? 0 : legiaxezReadfte2);aiwAys3 (poitige clt) &agir.- /If

29、WE = 1 register ；Wri-；eEe? = B 工 LtEDac m； endRF:寄存器，可讀可寫，數(shù)據(jù)由寄存器發(fā)送向ALU十算，匯編語言中的$t的儲存地點。Kld!L« St 4 input LFE.Self 二門1) ha.£ t Ltmedl atEqqux f31! 01 zJwwdxA'ce/ wtpuT： aeJ J<90211 lame a t e A (Ex%-Sel) ? 14 4 haf C-IsiBfedlH-U 15i I r ha-fSlaiM 1i.«t-E(l-5 «0J | = 4JtLafU

30、 lamedl-Ht e (IS; 4.| pSE產(chǎn)生立即數(shù)，將發(fā)送過來的半數(shù)零拓展或符號拓展。irpj- 31:OJALU_A, inpjr 31:0JALU_B, xnpur 2:flU0apr/ Input 1/ mpuc 2/ atexaclan EUt ZEROoutput reg(31:0JAll； RESULT/ zero auput the result ar ALUajsti白n ZERO * (ALU_R.E3ULT * fl) ?二,上二;l*b3;/ if the resultre ztre* WER0 * 1V 3 2 »北口_* £工.-a(AL

31、'口f 3'bOOQ i A1U3*b031: ALU3Tk?OiO: AL7 3*b011: ALU之AL03'tilOQ： A工U RESULT - ALU B * 鼻匚二 A；3'biai: ALURE5ULTALU二RESULT3*blll; ALU-RE5ULT» |-ALD_B) t A1UR;=ALUJB_* ALU_A;" ALUB * ALU 2*r.n-rnrre ndALU算術(shù)單元，加減乘除邏輯運算等等，都在這里計算。測試數(shù)據(jù)輸入 00000000000000000000000000000000 (不操作)可得到如上圖，

32、CPUE確運行實驗測試：（根據(jù)實驗內(nèi)容指令表格）0,1,2,3算術(shù)運算指令4,5,6邏輯運算指令7傳送指令8,9存儲器讀/寫指令10,11分支指令14停機指令指令序號oprsrtrdreserved00000000000100010000110000 0000 000add$1$2$3$3 = $1 + $2 =0100000100011001000000 0000 0000 0011addi$3$4$4 = $3 + 3 = 3200000100100000100000 0000 0000 1000addi$4$2$2 = $4 + 8 = 1130000100001000100000010

33、000 0000 000sub$2$4$1$1 = $2 - $4 = 8401000000010001010000 0000 0000 1000ori$2$5$5 = $2 |（上式）=1150100010000100010001100000 0000 000and$1$2$6$6 = $1 & $2 = 860100100000100010001110000 0000 000or$1$2$7$7 = $1 | $2 = 1171000000011100000010000000 0000 000move$7$zero$8$8 = $7810011001000000010000 000

34、0 0000 0100sw$8$1RAM$8 + 4 = $1910011100001010000000 0000 0000 0100lw$1$8$8 = 01011000000001000100000 0000 0000 0000beq$1$2$1 != $2, pc = pc + 11111000000010001010000 0000 0000 0001beq$2$5$2 = $5, pc = pc + 21200000100001000100000 0000 0000 0001addi$1$2此指令被跳過131111110000 0000 0000 0000 0000 0000 00h

35、alt停機<JK5 MM口MMSOSmtCW：咖MggQ 仇9 O£igbaiJbWCiQd白帥bU&£i電力ti時dOoi。QkD pncoaGODncDnc-Dcc :-nc ：iac<oncoggoDD1 切g(shù)ogMmnmncmcMOMDoeom冠<hU M輛屯8口。時。8口好試加0«080的2 SIBQxlQMVQgOgflewUMMgQWMMCM加 QOOdBDMDOgQg 即 g。0cMMWO 如 12 ：'：C 二：K 二二2二二中二二匚。二二V ：'： EC 二：'?! 妙由 QgQgQgqQggC

36、lWgM 叫時QB CMflCOOC<-QO>OaWaaGDl3«lMMM-DOO OMngr&frQMOngMMWQM 時喇 MMQOWOMMgEOOMQ期KrtHM)明 MgQgMSQSOQM 口 8。>08。皿 MbMM10O*O4時MgbMO眥m岫0的 gg 如M&otnaeiMMDMOoioooDomO'Onae MMMOMIXiMi。酬時的口 MOMMfl40g8。際 mnwoiMimQgmQmciM 8眸XQSgCkW。和CMQgngDC»4口國 的。占如匕皿立的改用附加附口00。必1。制 gQMQEQCKXIQSit

37、mQgQgQMQg MDccoooDaoMaonconacoDcoflK<ia& g。際080000。加 04MM 0的口4口04口口8 0 8M MqgQgOMDimng 口 8M 0«104。00»08時 gOWMOQWIM 8皿啪1腳1»口8如MlQWOWOgOg 00 口網(wǎng)口3ng因為都為0,沒有變化W 皿(08口81»44aMM48MHKd4n OCK0UHI3go 8l!WnMH»MM«ll»0M 3 MOMgEia40agOOOM440MoMQ04 MgMgDgMgMWOMIIOlKimai 1M

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