系统硬件综合设计.docx
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系统硬件综合设计
计算机与信息学院
系统硬件综合设计》
课程设计报告
学生姓名:
李
学号:
1234567890
专业班级:
计算机
2017年07月01日
1.pcf部分
always@(posedgeClk)
begin
PCPlus4F_Reg=PCPlus4F;
if(BranchM&ZeroM)PCF=PCBranchM;
elsePCF=PCPlus4F;
InstructionF_Reg=InstructionF;
if(InstructionF[31:
26]==6'b000010)
begin
PCF={6'h0,InstructionF[25:
0]};
PCF=PCF<<2;
end
End
assignPCPlus4F=PCF+4;
assignImemRdAddrF=PCF;
每个时钟上升沿到来,根据上一个时钟的PCSrcM判断是否为分支指令,若是,则选择
PCBranchM作为这个时钟的指令地址,否则选PCF+4作为这个指令的指令地址,另外对于J类指令,我设计了一个特定的OpCode=“=000010”,即为跳转指令,因为每个指令以字节格式存储,占用,4个字节,故将后26位立即数进行位扩展后将其左移两位,效果等同于乘4,再将其赋值给PCF,这样下一跳的指令地址即为所要跳转的地址。
对于这个部分,我起先是准备将其设计成一个模块的,之后由于模块接口连接时出现了无法解决的错误:
输出PCF要作为InstructionMemory的输入,又要作为自身模块下一跳的输入,导致三者关联一起变化,程序报错,后来我又想到将PCF的输出改成两个,PCFout及PCFnext,PCFout作为InstructionMemory的输入,PCFnext作为自身模块下一跳的输入,但是程序仍无法正常运行,最后我想到了在top模块中对PCF进行处理并得以实现。
2.InstructionMemory模块
initialbegin
$readmemh("instruction",InstMem,8'h0);
end
always@(ImemRdAddr)begin
Instruction<=InstMem[ImemRdAddr>>2];
end
这个模块很简单,主要是通过instructin文档来存储指令,以PCF作为地址取出指令输出至Control,SignExtend,Register三个模块。
3.Ctr模块
always@(OpCode)begincase(OpCode)//R-I//addiu6'b001001:
begin
RegDstD=1;
ALUSrcD=1;
MemtoRegD=0;
RegWriteD=1;
MemWriteD=0;
BranchD=0;
ALUOp=2'b10;end//addi
endcase
end
always@(ALUOporFunct)
begincasex({OpCode,ALUOp,Funct})
14'b10001100xxxxxx:
ALUControlD=5'b00010;//LW:
add
14'b00010001xxxxxx:
ALUControlD=5'b00110;//SW:
substractbeq
endcaseendendmodule
Control模块主要对来自InstructionMemory模块的指令进行分解,得到OpCode(指令高六位),Funct(指令低六位),在通过分析OpCode得到RegDstD,ALUSrcD,MemtoRegD,RegWriteD,BranchD,ALUOp这六个信号量,用于后面的运算,再使用OpCode,ALUOp,Funct三者的组合对指令的运算方法进行分析,得到相应的ALUControlD输出至ALU模
块。
4.Register模块
initial
begin
$readmemh("register",regFile,32'h0);
end
//writeonfallingclockedge
always@(posedgeClk)
begin
if(RegWrite==1'b1)
regFile[RegWrAddr]<=RegWrData;
end
assignRegARdData=(RegARdAddr>=0)?
regFile[RegARdAddr]:
0;
assignRegBRdData=(RegBRdAddr>=0)?
regFile[RegBRdAddr]:
0;
通过信号量RegWrite来判断读写操作,RegWrite=1即为写操作,0为读操作,读写皆操作于建立的register文档中,另在top模块中有
assignRegARdAddr=InstructionD[25:
21];
assignRegBRdAddr=InstructionD[20:
16];对寄存器地址赋值,register读出的两个数可供ALU选择使用。
5.ALU模块
assignZero=(ALURes==0)?
1:
0;//ALURes0跳转
always@(SrcAorSrcBorALUCtr)
begin
OverFlow=0;
TmpForSrcB=0;
HI=0;
LO=0;
A=0;
B=0;
case(ALUCtr)
5'b10011:
begin
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcB[31]=(TmpForSrcB[31]+1)%2;
ALURes=SrcA+TmpForSrcB;
if((SrcA[31]!
=TmpForSrcB[31])||(SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&
ALURes[31]==SrcA[31]))
begin
OverFlow=1'b0;end
else
if(SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&ALURes[31]!
=SrcA[31])begin
OverFlow=1'b1;
end
default:
ALURes=32'h0;
endcase
end
ALU模块进行的是运算操作,本模块通过来自Control模块的ALUCtr判断所要执行的运算,在通过Register模块读出的值或者从Instruction中得到的立即数进行运算,结果ALURes根据信号量MemToReg来判断是否写入DataMemory,这一块写在top中,另外ALU还对Zero信号量进行了赋值,Zero信号量用于对分支指令的判断。
6.DataMemory模块
initial
begin
$readmemh("Data",DataMem,10'h0);
end
always@(posedgeClk)
begin
if(DmemWrite==1'b1)
DataMem[DmemAddr>>2]<=DmemWrData;
end
assignDmemRdData=(DmemWrite==1'b0)?
DataMem[DmemAddr>>2]:
0;
endmodule
本模块通过从Ctr模块得来的信号量DmemWrite选择进行读写操作,读写皆操作于所建立的Data文档,另外DmemAdd左r移两位跟上述PCF左移两位异曲同工。
7.top模块
这个模块相比前面的6个模块要复杂得多,也是我在实验时出现问题最多,所花时间最长的模块。
Top模块主要用于各个模块之间的数据连接,以及一些模块外的操作。
PCF的设计我是放在这个模块的,另外像二选一数据选择器我也是放在这里的,本来是写了一个小模块来做这个工作,但是本次试验用到太多次二选一数据选择器了,为了防止数据传输紊乱,我决定在top中解决这个小操作。
由于本模块代码太长,这里就不一一阐
述,仅以Ctr的例化和接口连接为例简要说明:
CtrCtr(
.OpCode(OpCode),
.Funct(Funct),
.RegWriteD(RegWriteForCtrD),
.MemtoRegD(MemtoRegD),
.MemWriteD(MemWriteD),
.BranchD(BranchD),
.ALUControlD(ALUControlD),
.ALUSrcD(ALUSrcD),
.RegDstD(RegDstD)
);
assignOpCode=InstructionD[31:
26];
assignFunct=InstructionD[5:
0];
assignRegWrDataD=(MemtoRegW)?
ReadDataW:
ALUOutW;
always@(posedgeClk)
begin
MemtoRegD_Reg=MemtoRegD;
MemWriteD_Reg=MemWriteD;
BranchD_Reg=BranchD;
ALUControlD_Reg=ALUControlD;
ALUSrcD_Reg=ALUSrcD;
RegDstD_Reg=RegDstD;
end
输入来源OpCode来自于取指阶段Instruction的高6位,Funct来自于取指阶段Instruction的低6位,RegWriteD通过信号量MemToRegW来选择ReadDataW或ALUOutW,
输出信号量MemtoRegD,MemWriteD,BranchD,ALUControlD,ALUSrcD,RegDstD作为Reg模块的输入。
二、指令设计
本次试验实现了3种34条指令,实验时原以为指令格式为固定的,查阅很多资料都没得到想要的OpCode与指令操作一一对应的关系,问了指导实验的学长才知道,OpCode
是自己设计的,后又参考《自己动手写cpu》的指令设计技巧,才总结设计出指令。
3种指令:
R类型:
具体操作由OpCode,Funct来控制,rs,rt为源寄存器,rd为目的寄存器,sa为移位位数。
I类型:
具体操作由OpCode控制,低16位是立即数,经过位扩展作为另一个源操作数参与用算。
J类型:
具体操作由OpCode控制,一般是跳转指令,低26位经过位扩展作为目标地址。
34条指令:
32'b1010110000100100000000000000010
ALURes=SrcA-SrcB;
Store指令,判断00001号寄存器的值是否等于00100号寄存器的值,若相等,则当前指令地址加00000000000000010,否则执行下一条指令;32'b00000000001000100001100000100000TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcB[31]=(TmpForSrcB[31]+1)%2;
ALURes=SrcA+TmpForSrcB;
if((SrcA[31]!
=TmpForSrcB[31])||(SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&
ALURes[31]==SrcA[31]))
begin
OverFlow=1'b0;
end
else
if(SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&ALURes[31]!
=SrcA[31])begin
OverFlow=1'b1;
end
Add指令,有符号加法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号加法,结果放到00003号寄存器中;
32'b00010000001000100000000000000010
ALURes=SrcA-SrcB;
Beq指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行比较,若相等,则当前指令地址加00000000000000010,否则执行下一条指令;
Addu指令,无符号加法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号加法,结果放到00003号寄存器中;32'b10001100001000100001100000100011ALURes=SrcA-SrcB;
subu指令,无符号减法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号减法,结果放到00003号寄存器中;32'b00000000001000100001100000100100
ALURes=SrcA&SrcB;
And指令,与操作,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行与操作,结果放到00003号寄存器中;32'b00000000001000100001100000100101
ALURes=SrcA|SrcB;
OR指令,或操作,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行或运算,结果放到00003
号寄存器中;32'b00000000001000100001100000101010
ALURes=SrcA1:
0;
slt指令,有符号比较操作,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号比较,若SrcA1:
0;
00002号寄存器的值进行无符号比较,
sltu指令,无符号比较操作,实现将00001号寄存器和若SrcAALURes=SrcA/SrcB;
LO=SrcA/SrcB;
HI=SrcA%SrcB;
div指令,有符号除法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号除法,结果放到00003号寄存器中;32'b00000000001000100001100000011000
A=SrcA[31:
31]?
{32'hffffffff,SrcA}:
{32'h00000000,SrcA};
B=SrcB[31:
31]?
{32'hffffffff,SrcB}:
{32'h00000000,SrcB};
Temp=A*B;
ALURes=Temp[31:
0];
HI=Temp[63:
32];
LO=Temp[31:
0];
mul指令,有符号乘法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号乘法,结果放到00003号寄存器中;32'b00000000001000100001100000000100
ALURes=(SrcB<sllv指令,逻辑可变左移指令,实现将00001号寄存器的值左移00002号寄存器的值位,结果放到00003号寄存器中;32'b00000000001000100001100000000100
ALURes=(SrcB>>SrcA);
srlv指令,逻辑可变右移指令,实现将00001号寄存器的值右移00002号寄存器的值位,结果放到00003号寄存器中;
32'b00000000001000100001100000100110
ALURes=(SrcA^SrcB);
xor指令,异或指令,实现将00001号寄存器的值和00002号寄存器进行异或,结果放到00003号寄存器中;
32'b00100100001000100001100000000000
ALURes=SrcA+SrcB;
addiu指令,无符号立即数加法指令,实现将00001号寄存器的值和立即数进行无符号加法,结果放到00003号寄存器中;32'b00110000001000100001100000000000
ALURes=SrcA+SrcB;
addi指令,有符号立即数加法指令,实现将00001号寄存器的值和立即数进行有符号加法,结果放到00003号寄存器中;32'b00110100001000100001100000000000
ALURes=SrcA|SrcB;
ori指令,立即数或指令,实现将00001号寄存器的值和立即数进行或运算,结果放到00002号寄存器中;32'b00110100001000100001100000000000ALURes=SrcA1:
0;
slti指令,有符号立即数比较操作,实现将00001号寄存器的值和立即数进行有符号比较,若SrcAALURes=(SrcA^SrcB);
xori指令,立即数异或指令,实现将00001号寄存器的值和立即数进行异或运算,结果放到00002号寄存器中;32'b00101100001000100001100000000000
ALURes=SrcA1:
0;
slti指令,无符号立即数比较操作,实现将00001号寄存器的值和立即数进行无符号比较,若SrcAsll指令,逻辑左移指令,实现将00001号寄存器的值左移sa位,结果存入00002号寄存器;
j=SrcB[31:
31];
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcA=SrcA;
/*
for(i=0;iALURes={j,31'h0}|(ALURes>>1);
srav指令,算术可变右移指令,实现将00001号寄存器的值算术右移sa位,结果存入00002号寄存器;
32'b00000000001000100001100001000011
j=SrcB[31:
31];
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcA=SrcA;
TmpForSrcB=TmpForSrcB>>SrcA;
if(j)
begin
ALURes={~(TmpForSrcB[31:
31]),TmpForSrcB[30:
0]};
end
else
begin
ALURes=TmpForSrcB;
end
sra指令,算术右移指令,实现将00002号寄存器的值算术右移00001号寄存器的值位,结果存入00003号寄存器;
32'b00000000001000100001100000100010
ALURes=SrcA-SrcB;
sub指令,有符号减法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号减法,结果放到00003号寄存器中;
32'b00100000001000100001100000000000
ALURes=SrcA+SrcB;
addi指令,立即数加法指令,实现将00001号寄存器和00立即数进行有符号加法,结果放到00003号寄存器中;
32'b00000000001000100001100000011000
ALURes=SrcA/SrcB;
mulu指令,无符号乘法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号乘法,结果放到00003号寄存器中;
32'b00000000001000100001100000011000
ALURes=SrcA/SrcB;
divu指令,无符号除法指令,实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号除法,
结果放到00003号寄存器中;32'b00001000000000000000000000000003
PCF={6'h0,InstructionF[25:
0]};
PCF=PCF<<2;
Jump指令,跳转指令,实现跳转到立即数的指令地址,执行程序。
三、实验结果截图及分析
如图所示进行了三条指令,我仅以此三条指令的结果进行分析:
1.32'h00221820
OpCode=000000,Funct=100000,为有符号加法运算,从00001号寄存器取出第一个操作数00000002,第二个寄存器取出第二个数00000003,相加得到ALUResE=00000005;2.32'h08000003
OpCode=000010,为跳转指令,立即数为00000003,故跳转到第三条指令执行,PCF=0000000c;
3.32'hac240001
OpCode=101011,为分支指令,立即数为0001,故PCF=PCF+4;
四、实验感想
本次试验,我经历了历时13天的cpu设计,从刚开始的一无所知,只是拿到了五个基础实验和《自己动手写cpu》,到最后做出来,过程之艰辛无法言说,记忆深刻的地方是在写模块连接时,我按照书上的连接方法写模块连接,总是会报错,卡了将近一天时间,后来问老师,老师给我们讲了模块连接的部分,才解决了这个问题。
写cpu的过程中用到了很多知识,计算机组成原理的有符号乘法,算术移位,计算机体系结构的五级流水等等,通过本次实验不仅学会了怎样做cpu,还将学过的课程复习了一遍,觉得受益良多。
最后以一句《自己动
手写cpu》上的话来结尾
一个人的旅行