1、計算機與信息學院系統硬件綜合設計課程設計報告學生姓名： 李 學 號： 1234567890 專業班級： 計算機 2017 年 07 月 01日一、實驗原理及設計本次試驗我主要根據上圖進行理解和編程，起先參考了5個基礎實驗，期間又翻閱了自己動手寫cpu，并且在網上查了很多資料，下面我將對該圖做出我的理解和設計:1. pcf部分always (posedge Clk) beginPCPlus4F_Reg = PCPlus4F;if (BranchM&ZeroM) PCF = PCBranchM;else PCF = PCPlus4F;InstructionF_Reg = Instructi

2、onF;if (InstructionF31:26 = 6'b000010) begin PCF = 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，我設計了一個特定的OpCode=“000010”，即為跳轉指令，因為每個指令以字節格式存儲，占用,4個

3、字節，故將后26位立即數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的地址。對于這個部分，我起先是準備將其設計成一個模塊的，之后由于模塊接口連接時出現了無法解決的錯誤：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，導致三者關聯一起變化，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Instruction Memory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模塊中對PCF進行處理并得以實現。2.Instru

4、ction Memory模塊 initial begin$readmemh("instruction", InstMem, 8'h0); end always (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) begincase(OpCode)/ R-I/ addiu6'b0

5、01001:beginRegDstD = 1;ALUSrcD = 1;MemtoRegD = 0;RegWriteD = 1;MemWriteD = 0;BranchD = 0;ALUOp = 2'b10;end/addi.endcaseend always (ALUOp or Funct) begincasex(OpCode ,ALUOp, Funct) 14'b10001100xxxxxx: ALUControlD = 5'b00010; / LW : add14'b00010001xxxxxx: ALUControlD = 5'b00110; /

6、SW : substract beq.endcaseendendmoduleControl模塊主要對來自Instruction Memory模塊的指令進行分解，得到OpCode(指令高六位)，Funct（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.Register模塊initialbegin$readmemh("regist

7、er", 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)? regFileRegBRdAddr:0;通過信號量RegWrite來判斷讀寫操作，RegWrite=

8、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讀出的兩個數可供ALU選擇使用。5. ALU模塊assign Zero = (ALURes = 0)? 1:0;/ALURes 0 跳轉always (SrcA or SrcB or ALUCtr)begin OverFlow = 0;TmpForSrcB = 0;HI = 0;LO = 0;A = 0;B = 0;case(

9、ALUCtr)5'b10011: beginTmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1'b0;endelse if (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1'b1

10、;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中得到的立即數進行運算，結果ALURes根據信號量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 Memory模塊initialbegin$readmemh("Data", DataMem, 10'h0);end

11、always (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，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問題最多，所花時間

12、最長的模塊。Top模塊主要用于各個模塊之間的數據連接，以及一些模塊外的操作。PCF的設計我是放在這個模塊的，另外像二選一數據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據選擇器了，為了防止數據傳輸紊亂，我決定在top中解決這個小操作。由于本模塊代碼太長，這里就不一一闡述，僅以Ctr的例化和接口連接為例簡要說明：Ctr Ctr(.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.RegWriteD(RegWriteForCtrD),.MemtoRegD(MemtoRegD),.MemWriteD(MemWriteD),.BranchD(Bra

13、nchD),.ALUControlD(ALUControlD),.ALUSrcD(ALUSrcD),.RegDstD(RegDstD);assign OpCode = InstructionD31 : 26;assign Funct = InstructionD5 : 0;assign RegWrDataD = (MemtoRegW)? ReadDataW : ALUOutW;always (posedge Clk) beginMemtoRegD_Reg = MemtoRegD;MemWriteD_Reg = MemWriteD;BranchD_Reg = BranchD;ALUControl

14、D_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，ALUControlD，ALUSrcD，RegDstD作為Reg模塊的輸入。2、 指令設計本次試驗實現了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OpCod

15、e與指令操作一一對應的關系，問了指導實驗的學長才知道，OpCode是自己設計的，后又參考自己動手寫cpu的指令設計技巧，才總結設計出指令。3種指令：R類型：具體操作由OpCode，Funct來控制，rs，rt為源寄存器，rd為目的寄存器，sa為移位位數。I類型：具體操作由OpCode控制，低16位是立即數，經過位擴展作為另一個源操作數參與用算。J類型：具體操作由OpCode控制，一般是跳轉指令，低26位經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

16、值是否等于00100號寄存器的值，若相等，則當前指令地址加00000000000000010，否則執行下一條指令；32b000000 00001 00010 00011 00000 100000TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 && ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1'b0;endelse if (SrcA3

17、1 = TmpForSrcB31 && ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1'b1;endAdd指令，有符號加法指令，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行有符號加法，結果放到00003號寄存器中；32b000101 00001 00010 0000000000000010ALURes = (SrcA - SrcB);Bne指令，實現將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，否則執行下一條指令；32b000100 00001 00010 00000

18、00000000010ALURes = SrcA - SrcB;Beq指令，實現將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，否則執行下一條指令；32b000001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA >= 0)?0:1;Bgez指令，實現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，否則執行下一條指令；32b000111 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA > 0

19、)?0:1;Bgtz指令，實現00001號寄存器的值與0比較，若大于0，則當前指令地址加00000000000000010，否則執行下一條指令；32b000110 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA <= 0)?0:1;Blez指令，實現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，否則執行下一條指令；32b010001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA < 0)?0:1;Bltz指令，實現00001號寄存器的值與0比較，若小于0

20、，則當前指令地址加00000000000000010，否則執行下一條指令；32b100011 00001 00010 00011 00000 100001ALURes = SrcA + SrcB;Addu指令，無符號加法指令，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行無符號加法，結果放到00003號寄存器中；32b100011 00001 00010 00011 00000 100011ALURes = SrcA - SrcB;subu指令，無符號減法指令，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行無符號減法，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 0

21、0010 00011 00000 100100ALURes = SrcA & SrcB;And指令，與操作，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行與操作，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100101ALURes = SrcA | SrcB;OR指令，或操作，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行或運算，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 101010ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0;slt指令，有符號比較操

22、作，實現將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 101010ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0;sltu指令，無符號比較操作，實現將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

23、令，有符號除法指令，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行有符號除法，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 011000 A = 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，實現將

24、00001號寄存器和00002號寄存器的值進行有符號乘法，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 000100ALURes = (SrcB << SrcA); sllv指令，邏輯可變左移指令，實現將00001號寄存器的值左移00002號寄存器的值位，結果放到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，實現將00001號寄存器的值右移00002號寄存器的值位，結果放到00003號

25、寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcB >> SrcA);xor指令，異或指令，實現將00001號寄存器的值和00002號寄存器進行異或，結果放到00003號寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcA SrcB); xor指令，異或指令，實現將00001號寄存器的值和00002號寄存器進行異或，結果放到00003號寄存器中；32b001001 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA

26、 + SrcB; addiu指令，無符號立即數加法指令，實現將00001號寄存器的值和立即數進行無符號加法，結果放到00003號寄存器中；32b001100 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB; addi指令，有符號立即數加法指令，實現將00001號寄存器的值和立即數進行有符號加法，結果放到00003號寄存器中；32b001101 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA | SrcB; ori指令，立即數或指令，實現將00001號寄存器的值和立即數進行或運算，結果放到00002號寄

27、存器中；32b001101 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA < SrcB ? 1:0; slti指令，有符號立即數比較操作，實現將00001號寄存器的值和立即數進行有符號比較，若SrcA < SrcB，則置1，否則置0；32b001110 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = (SrcA SrcB);xori指令，立即數異或指令，實現將00001號寄存器的值和立即數進行異或運算，結果放到00002號寄存器中；32b001011 00001 00010 00011 00000 000000

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

29、移指令，實現將00001號寄存器的值右移sa位，結果存入00002號寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00001 000111j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;/*for(i = 0; i < TmpForSrcA; i = i+1)beginALURes = j,31'h0 | (ALURes >> 1);srav指令，算術可變右移指令，實現將00001號寄存器的值算術右移sa位，結果存入00002號寄存器； 32b000000 00001 00010 00011 000

30、01 000011j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;TmpForSrcB = TmpForSrcB>>SrcA;if (j)beginALURes = (TmpForSrcB31:31), TmpForSrcB30:0;endelsebeginALURes = TmpForSrcB;end sra指令，算術右移指令，實現將00002號寄存器的值算術右移00001號寄存器的值位，結果存入00003號寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00000 100010ALURes = SrcA - SrcB;sub指令，有符號減法指令，實現將00001號寄存器和00002號寄存器的值進行有符號減法，結果放到00003號寄存器中；32b001000 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA