計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)--單周期32位cpu的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　起止日期： 2014 年 1 月 13 日 至 2014 年 1 月 17 日</p><p>　　計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院<

2、/p><p>　　2014年1月17日</p><p>　單周期32位CPU的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1、 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)1</p><p>　　2、 控制部件設(shè)計(jì)4</p><p>　　3、 單周期中央處理器cpu設(shè)計(jì)9<

3、/p><p>　　4、 計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)12</p><p>　　5、 調(diào)試程序編制及主機(jī)系統(tǒng)調(diào)試12</p><p>　　6、 心得體會(huì)16</p><p><b>　　參考資料16</b></p><p><b>　　指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p>&l

4、t;p>　　R型指令(op=0001)</p><p>　　│←─━━━op────→│← rs →│← rt →│← rd →│ ←─━━━━func━━━────│ </p><p>　　add(func=000001)：將rs寄存器中的值和rt寄存器中的值相加，結(jié)果存入rd寄存器</p><p>　　sub(func=000010)：將r

5、s寄存器中的值和rt寄存器中的值相減，結(jié)果存入rd寄存器</p><p>　　and(func=000011)：將rs寄存器中的值和rt寄存器中的值相與，結(jié)果存入rd寄存器</p><p>　　or(func=000100)：將rs寄存器中的值和rt寄存器中的值進(jìn)行或運(yùn)算，結(jié)果存入rd寄存器</p><p><b>　　I型指令</b><

6、/p><p>　　│←─━━━op────→│← rs →│← rt →│←─━━━━━━━立即數(shù)━━━━────│ </p><p>　　addi(op=1000)：將rs寄存器中的值與（補(bǔ)零成32位的）立即數(shù)減，結(jié)果存入rt寄存器</p><p>　　ori(op=0010)：將rs寄存器中的值與（補(bǔ)零成32位的）立即數(shù)或，結(jié)果存入rt寄存器</p

7、><p>　　lw(op=0011)：將RAM中地址為[rs+立即數(shù)]單元的值寫入rt</p><p>　　sw(op=0100)：將rt中的值寫入RAM中地址為[rs+立即數(shù)]單元</p><p>　　beq(op=0101)：若rs中的值=rt中的值，則跳轉(zhuǎn)到（原本的下一個(gè)地址+立即數(shù)）</p><p>　　wr(op=0111)：把（補(bǔ)零成

8、32位的）立即數(shù)寫入寄存器rt</p><p><b>　　J型指令</b></p><p>　　│←─━━━op────→│←─── invalid ──→│←─━━━━━━━地址━━━━━━────│ </p><p>　　jump(op=0110)：直接跳轉(zhuǎn)到目的地址（8位）開始執(zhí)行</p><p>　　指令譯碼器

9、的作業(yè)是對取指令操作中得到的指令進(jìn)行譯碼，確定這條指令需要完成的操作。從而產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)中的各種動(dòng)作。它是控制器的一個(gè)重要組成部分。在MIPS指令集中，根據(jù)操作碼OP和功能碼FUNC來區(qū)別指令。根據(jù)表3-3列出的20條指令編碼的邏輯表達(dá)式如下，其中，OP[5..0]為操作碼OP，F(xiàn)UNC[5..0]為功能碼FUNC，電路符號(hào)如圖9-4所示。</p><p>　　圖5-2 指令執(zhí)行時(shí)序圖2<

10、/p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　控制部件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制器是計(jì)算機(jī)中 發(fā)號(hào)施令的部件，它控制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊的進(jìn)行工作。 更具體的講， 控制器的任務(wù)是從內(nèi)存中取出指令解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作。</p><p>　　PCSOU

11、RCE是用于標(biāo)記下一條指令的地址，通過計(jì)算得到的下一條指令有下列4種情況：為0時(shí)：下一條指令地址取PC+4（用于指令存儲(chǔ)器的地址是[7..2]）；為1時(shí)：下一條指令地址取分支跳轉(zhuǎn)（BEQ、BNQ指令）；為2時(shí)：下一條指令地址取跳轉(zhuǎn)（J指令）；為3時(shí)：下一條指令地址取跳轉(zhuǎn)變鏈接（JAL指令）。</p><p>　　CALL（JAL）標(biāo)記31號(hào)寄存器，由于JAL指令要把分支延遲槽下一條指令的指令地址保存在寄存器31號(hào)

12、中，故需要設(shè)置一個(gè)控制信號(hào)CALL，當(dāng)CALL=1時(shí)，選擇31號(hào)寄存器，為JAL跳轉(zhuǎn)指令提供寄存器，當(dāng)CALL=0時(shí)，從32位的寄存器堆中根據(jù)地址選擇出一個(gè)32位的寄存器用于讀或?qū)憯?shù)據(jù)。M2REG（LW指令）標(biāo)記是將運(yùn)算的結(jié)果直接寫入寄存器堆，還是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)取出后寫入寄存器堆。ALUC運(yùn)算器的控制信號(hào)，用于選擇做何種運(yùn)算。WMEM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)。SHIFT標(biāo)記移位運(yùn)算，由于移位運(yùn)算的運(yùn)算數(shù)需要位數(shù)拓展。ALUIMM標(biāo)記立即

13、數(shù)運(yùn)算，由于有立即數(shù)參與運(yùn)算前需要位數(shù)拓展。SEXT標(biāo)記參加運(yùn)算的是有符號(hào)數(shù)。WREG寄存器堆的讀寫信號(hào)。REGRT標(biāo)記指令中的[20..16]或[15..11]中的哪一種作為運(yùn)算的目標(biāo)寄存器。它的電路符號(hào)如圖9-7。根據(jù)3.3節(jié)指令的執(zhí)行分析，可以得出這20條控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式如圖所示：</p><p><b>　　表3-1。</b></p><p><b&

14、gt;　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　、</b></p><p>　　指令存儲(chǔ)器用于在計(jì)算機(jī)中保存指令。在本屆中使用LPM_ROM來實(shí)現(xiàn)，它能保存64條指令字，如圖9-10所示。指令存儲(chǔ)器輸入：A[31..0]（指令地址），實(shí)際使用的地址為A[7..2]。指令的輸出信號(hào)：DO[31..0]。指令存儲(chǔ)器的元件符號(hào)如圖9-10所示。真值表如

15、9-3所示，DO表示在指令數(shù)據(jù)文件中地址A對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)。</p><p>　　波形分析。10.0ns~20.0ns這一段，A為00000004，CLK在10.0ns時(shí)刻有一個(gè)下降沿。故此時(shí)DO的值應(yīng)該變?yōu)榈刂?0000004對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)為3C010000，然后直到20.0ns時(shí)刻之前都是上升沿，故一直保持不變?yōu)?C010000，直到20.0ns時(shí)刻來了一個(gè)下降沿，DO的值應(yīng)該變?yōu)榈刂?0000008對應(yīng)的指令

16、數(shù)據(jù)為34240050。圖9-20中此刻時(shí)段正好也為這樣，因此得證。</p><p>　　最后，根據(jù)原理圖，按照第4.1.3小節(jié)中的方法生成元器件原理圖。</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p>　　↑為上升沿。↓為下降沿</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的原理圖設(shè)計(jì)</p><

17、p>　　（1）加法指令數(shù)據(jù)文件</p><p>　　調(diào)用lpm_ram_dp宏設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　波形分析。20.0ns~25.0ns這一時(shí)刻，A為00000060，CLK為0，WE為0，則

18、為讀信號(hào)，MEMCLK此時(shí)此刻有一個(gè)上升沿，故獨(dú)處地址A對應(yīng)的數(shù)據(jù)DO位000000A3。30.0ns~35.0ns這一時(shí)刻，A為00000000，DI為00000300，CLK為0，WE為1，則寫為信號(hào)。MEMCLK此時(shí)此刻有一個(gè)上升沿，故將DI數(shù)據(jù)寫入到地址A對應(yīng)的位置DO為00000300。圖9-31中正是如此，只是整體有一個(gè)周期的時(shí)延，因此得證。</p><p>　　單周期中央處理器cpu設(shè)計(jì)</p

19、><p>　　通過調(diào)用前面編寫的一系列元器件來實(shí)現(xiàn)單周期CPU，它能處理MIPS中列出的20條常用指令。CPU輸入信號(hào)：CLOCK為時(shí)鐘信號(hào)，RESETN為設(shè)置0信號(hào)，INSTR為指令數(shù)據(jù)，MEM為運(yùn)算數(shù)據(jù)。CPU輸出信號(hào)：PC是下一條要執(zhí)行指令在指令存儲(chǔ)器中的地址，DATA是運(yùn)算得到的要寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。</p><p>　　根據(jù)控制器各控制信號(hào)的描述以及3.3節(jié)中CPU設(shè)計(jì)思路分析，可

20、綜合完整的CPU邏輯設(shè)計(jì)，如圖9-33所示。最終得到CPU的原理圖</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)是離不開存儲(chǔ)器的，因?yàn)镃PU要從指令存儲(chǔ)器中取得指令，分析解釋后在從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取得用于計(jì)算的數(shù)據(jù)，計(jì)算的接過可存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。故本杰將在9.6節(jié)的基礎(chǔ)上為CPU加上指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，得到一個(gè)計(jì)算

21、機(jī)主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)的電路圖</p><p>　　分析CPU的設(shè)計(jì)描述及各端口描述，不難得出如圖所示的主機(jī)系統(tǒng)的原理圖</p><p><b>　　原理圖：</b></p><p>　　調(diào)試程序編制及主機(jī)系統(tǒng)調(diào)試</p><p><b>　　加法程序調(diào)試仿真</b></p><p

22、>　　在這里做一個(gè)加法163+39+121+277=600</p><p>　　指令寄存器數(shù)據(jù)文件：</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　在此次課設(shè)進(jìn)行前我們在老師幫助下提前做了幾章的實(shí)驗(yàn),所以對QuartusⅡ軟件

23、的操作有了一定基礎(chǔ)的了解,讓我們更好的去做這個(gè)課設(shè),經(jīng)過一個(gè)星期的努力,熟練地掌握了quartus的使用方法。在此次課設(shè)中,我們從最底層了解到了計(jì)算機(jī)的本質(zhì),對 CPU、寄存器、控制器登入到精簡指令計(jì)算機(jī),都有了一定程度上的了解。在課設(shè)當(dāng)中自己動(dòng)手實(shí)踐開發(fā)設(shè)計(jì)能力得到了極大地提高，為今后的相關(guān)硬件課程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，硬件設(shè)計(jì)思維得到了進(jìn)一步的鍛煉和提升。</p><p><b>　　參考資料</

24、b></p><p>　　[1]朱子玉，李亞民.CPU芯片邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：31-110.</p><p>　　[2] 王誠等.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇[M].北京：人民郵電出版社，2005：1-28.</p><p>　　[3] (美)Dominic Sweetman.MIPS處理器設(shè)計(jì)透視[M].北京：北