类MIPS单周期处理器.docx
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类MIPS单周期处理器
一、实验目的
1.了解微处理器的基本结构。
2.掌握哈佛结构的计算机工作原理。
3.学会设计简单的微处理器。
4.了解软件控制硬件工作的基本原理。
二、实验任务
利用HDL语言,基于XilinxFPGAnexys4实验平台,设计一个能够执行以下MIPS指令集的单周期类MIPS处理器,要求完成所有支持指令的功能仿真,验证指令执行的正确性,要求编写汇编程序将本人学号的ASCII码存入RAM的连续内存区域。
(1)支持基本的算术逻辑运算如add,sub,and,or,slt,andi指令
(2)支持基本的内存操作如lw,sw指令
(3)支持基本的程序控制如beq,j指令
三、实验过程
1、建立工程
在ISE14.7软件中建立名为Lab1的工程文件。
芯片系列选择Artix7,具体芯片型号选择XC7A100T,封装类型选择CSG324,速度信息选择-1。
2、分模块设计
1)指令存储器ROM设计
新建IPcoreGenerator,命名为irom。
设定的指令存储器大小为128字,指令存储器模块在顶层模块中被调用。
输入为指令指针(PC)与时钟信号(clkin),输出为32位的机器指令,并将输出的机器指令送到后续的寄存器组模块、控制器模块、立即数符号扩展模块进行相应的处理。
然后制作COE文件。
先使用UltraEdit编辑代码,代码如下
main:
addi$2,$0,85
sw$2,0($3)
addi$2,$0,50
sw$2,4($3)
addi$2,$0,48
sw$2,8($3)
addi$2,$0,49
sw$2,12($3)
addi$2,$0,53#
sw$2,16($3)
addi$2,$0,49#
sw$2,20($3)
addi$2,$0,51#
sw$2,24($3)
addi$2,$0,52#
sw$2,28($3)
addi$2,$0,54#
sw$2,32($3)
addi$2,$0,52#
sw$2,36($3)
jmain
将其导入QtSpim中,选中机器码,加上前缀并将最后一行0x08100009修改为0x08000000,代码如下
MEMORY_INITIALIZATION_RADIX=16;
MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR=
20020055,
ac620000,
20020032,
ac620004,
20020030,
ac620008,
20020031,
ac62000c,
20020035,
ac620010,
20020031,
ac620014,
20020033,
ac620018,
20020034,
ac62001c,
20020036,
ac620020,
20020034,
ac620024,
08000000,
保存为.coe文件,在ROM模块里调用。
2)数据存储器RAM设计
新建IPcoreGenerator,命名为dram。
数据存储器为RAM类型的存储器,并且需要独立的读写信号控制。
因此其对外的接口为clk、we、datain、addr;输出信号为dataout。
当时钟上升沿到来时,如果写信号(we)为真,根据addr所表示的地址找到对应的存储单元,并将输入的数据(datain)写到对应的存储单元中;如果写信号为假,则根据addr所表示的地址,将对应存储单元的数据送到输出端(dataout)。
在本实验中调用ISE提供的IP核进行设计,设定的数据存储器大小为64字。
数据存储器模块在顶层模块中被调用。
输入的时钟信号来自于顶层模块的clkin,addr信号来自于ALU单元的输出端(对基地址与偏移量执行加操作),datain来自于寄存器组的第二个数据输出端(Rtdata),而控制信号we则来自于控制器对指令的译码。
输出数据dataout通过一个选择器(MUX3)决定是否写入到相应的寄存器。
初始化dram值:
0x55555555,在以后的仿真过程中可以用于验证是否正确调用
3)立即数符号扩展模块设计
对于I型指令,将指令的低十六位作为立即数符号扩展模块的输入inst[15:
0],如果十六位立即数的最高位(即符号位)为1,则在inst[15:
15]前面补16个1,如果为0,则在前面补16个0。
然后将符号扩展之后的data[31:
0]通过一个选择器(即MUX2)输送到ALU单元的第二个源操作数输入端(即input2)。
代码如下:
modulesignext(
input[15:
0]inst,
output[31:
0]data
);
assigndata=inst[15:
15]?
{16'hffff,inst}:
{16'h0000,inst};
endmodule
4)寄存器组模块
该模块的输入为clk、RegWriteData、RegWriteAddr、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr和reset,输出信号为RsData和RtData。
由于$0一直输出0,因此当RsAddr、RtAddr为0时,RsData以及RtData必须输出0,否则输出相应地址寄存器数据。
另外,当RegWriteEn信号有效时,数据应该写入RegWriteAddr寄存器,并且每次复位时所有寄存器都清零。
寄存器组模块在顶层模块中被调用。
clk信号来自于顶层模块的clkin,reset信号来自于顶层模块的reset,RegWriteData来自于ALU单元的运算结果输出端或者是数据存储器的输出端(通过一个选择器MUX3进行选择),RegWriteAddr、RsAddr、RtAddr来自于指令的对应位,RegWriteEn来自于控制器对指令的译码。
输出信号Rsdata与Rtdata则分别来自于Rsaddr与Rtaddr对应的寄存器。
代码如下:
moduleregFile(
inputclk,
inputreset,
input[31:
0]regWriteData,
input[4:
0]regWriteAddr,
inputregWriteEn,
output[31:
0]RsData,
output[31:
0]RtData,
input[4:
0]RsAddr,
input[4:
0]RtAddr
);
reg[31:
0]regs[0:
31];
assignRsData=(RsAddr==5'b0)?
32'b0:
regs[RsAddr];
assignRtData=(RtAddr==5'b0)?
32'b0:
regs[RtAddr];
integeri;
always@(posedgeclk)
begin
if(!
reset)
begin
if(regWriteEn==1)
begin
regs[regWriteAddr]=regWriteData;
end
end
else
begin
for(i=0;i<31;i=i+1)
regs[i]=0;
regs[31]=32'hffffffff;
end
end
endmodule
5)控制器模块
控制器输入为指令的opCode字段,即操作码。
操作码经过主控制单元的译码,给ALUCtrl、DataMemory、Registers、Muxs等部件输出正确的控制信号。
该模块在顶层模块中被调用,输入的opcode来自于指令的前6位,而输出信号aluSrc、MemToReg、RegWrite、MemRead、MemWrite、branch、aluop和jmp则是对6位opcode的译码。
代码如下:
modulectr(
input[5:
0]opCode,
outputregDst,
outputaluSrc,
outputmemToReg,
outputregWrite,
outputmemRead,
outputmemWrite,
outputbranch,
output[1:
0]aluop,
outputjmp
);
regregDst;
regaluSrc;
regmemToReg;
regregWrite;
regmemRead;
regmemWrite;
regbranch;
reg[1:
0]aluop;
regjmp;
always@(opCode)
begin
case(opCode)
6'b000010:
//jmp
begin
regDst=0;
aluSrc=0;
memToReg=0;
regWrite=0;
memRead=0;
memWrite=0;
branch=0;
aluop=2'b00;
jmp=1;
end
6'b000000:
//R
begin
regDst=1;
aluSrc=0;
memToReg=0;
regWrite=1;
memRead=0;
memWrite=0;
branch=0;
aluop=2'b10;
jmp=0;
end
6'b100011:
//lw
begin
regDst=0;
aluSrc=1;
memToReg=1;
regWrite=1;
memRead=1;
memWrite=0;
branch=0;
aluop=2'b00;
jmp=0;
end
6'b101011:
//sw
begin
regDst=0;
aluSrc=1;
memToReg=0;
regWrite=0;
memRead=0;
memWrite=1;
branch=0;
aluop=2'b00;
jmp=0;
end
6'b000100:
//beq
begin
regDst=0;
aluSrc=0;
memToReg=0;
regWrite=0;
memRead=0;
memWrite=0;
branch=1;
aluop=2'b01;
jmp=0;
end
//6'b001100:
//andi
6'b001000:
//andi
begin
regDst=0;
aluSrc=1;
memToReg=0;
regWrite=1;
memRead=0;
memWrite=0;
branch=0;
//aluop=2'b11;
aluop=2'b00;
jmp=0;
end
default:
begin
regDst=0;
aluSrc=0;
memToReg=0;
regWrite=0;
memRead=0;
memWrite=0;
branch=0;
aluop=2'b00;
jmp=0;
end
endcase
end
endmodule
6)运算器(ALU)模块
微处理器支持的add、sub、and、or和slt运算指令,需要利用ALU单元实现运算,同时数据存储指令sw和lw也需要通过ALU单元计算存储器地址,条件跳转指令beq需要ALU来比较两个寄存器是否相等。
所有这些指令包含的操作为加、减、与、或和小于设置5钟不同的操作。
该模块根据输入控制信号对输入