计算机组成原理实验报告单周期CPU的设计与实现Word文件下载.docx
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四、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。
五、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。
六、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。
七、实验器材（设备、元器件）：
（一）安装了XilinxISEDesignSuite13.4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。
八、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ISEDesignSuite13.4软件，然后选择菜单Project，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
a.5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=Sel?
B:
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;
//Inputs
reg[4:
0]A;
0]B;
regsel;
//Outputs
wire[4:
0]C;
//InstantiatetheUnitUnderTest（UUT）
MUX5_2_1uut（
.A（A）,
.B（B）,
.sel（sel）,
.C（C）
initialbegin
//InitializeInputs
A=0;
B=0;
sel=0;
//Wait100nsforglobalresettofinish
#100;
A=5'
b10100;
sel=1;
A=1;
B=5'
b10000;
b00000;
b11000;
//Addstimulushere
end
然后进行仿真，仿真结果如图所示：
b.32位2选1多路选择器的设计与实现
MUX32_2_1，然后输入其实现代码：
moduleMUX32_2_1（
input[31:
0]A,
0]B,
inputsel,
output[31:
0]O
assignO=sel?
B:
A;
在ISE集成开发环境中，对模块MUX32_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MUX32_2_1进行仿真（Simulation）。
首先输入如下测式代码：
moduleMUX32_2_1_T;
reg[31:
wire[31:
0]O;
MUX32_2_1uut（
.O（O）
A=0;
B=0;
sel=0;
A=32'
h00000001;
B=32'
h00000000;
sel=1;
h00000101;
h00000010;
sel=0;
然后进行仿真，仿真结果如图所示:
（2）符号扩展（Sign_Extender）的设计与实现
Sign_Extender，然后输入其实现代码：
moduleSign_Extender（
input[15:
0]d,
output[31:
0]o
assigno=（d[15:
15]==1'
b0）?
{16'
b0,d[15:
0]}:
b1,d[15:
0]};
在ISE集成开发环境中，对模块Sign_Extender进行综合（Synthesize），综合结果如图所示。
moduleSign_Extender_t;
reg[15:
0]d;
0]o;
Sign_Extenderuut（
.d（d）,
.o（o）
//InitializeInputs
d=0;
d=16'
h0011;
h1011;
（3）32位寄存器堆（RegFile）的设计与实现
RegFile，然后输入其实现代码：
moduleRegFile（
0]Rn1,Rn2,Wn,
inputWrite,
input[31:
0]Wd,
0]A,B,
inputClock
0]Register[1:
31];
assignA=（Rn1==0）?
0:
Register[Rn1];
assignB=（Rn2==0）?
Register[Rn2];
always@（posedgeClock）begin
if（Write&
&
Wn!
=0）
Register[Wn]<
=Wd;
在ISE集成开发环境中，对模块RegFile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RegFile进行仿真（Simulation）。
moduleRegfile_t;
0]Rn1;
0]Rn2;
0]Wn;
regWrite;
0]Wd;
regClock;
Reg（
.Rn1（Rn1）,
.Rn2（Rn2）,
.Wn（Wn）,
.Write（Write）,
.Wd（Wd）,
.Clock（Clock）
Rn1=0;
Rn2=0;
Wn=0;
Write=0;
Wd=0;
Clock=0;
Rn1=5'
b00001;
Rn2=5'
b00001
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