系统结构 第三、四次实验

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1、实验三环境熟悉与基本CPU设计一、实验目的(1)熟悉实验台运行环境与调试方法，掌握基本CPU的设计，为自行设计多级流水CPU打好基础。(2)熟练掌握HDL硬件描述语言，对CPU的各个功能模块进行代码编写，并学会将各个功能部分组织连接成一个完整CPU体系结构，学会利用硬件设计工具软件QuartusⅡ对程序进行仿真和调试。并熟练掌握FPGA-CPU在“TEC-CA开放式CPU实验教学系统”上的调试方法。(3)学习设计一个包括指令系统、运算器、控制器和寄存器组等的完整的CPU。设计的CPU具有复位功能

2、，以便使用TEC-CA实验台上的“CPU复位”按钮对CPU复位，使CPU处于调试前的初始状态。CPU复位脉冲按负脉冲设计。(4)掌握调试软件Debugcontroller的使用方法，学习编写指令系统的规则文件。二、实验内容学习附录ATEC-CA开放式CPU实验教学系统介绍，了解实验台的组成与结构，熟悉运行环境。学习基本CPU的设计，为了配合CPU的调试，需要学习软件Debugcontroller的使用，编写指令系统的规则文件以及调试方法，调试软件Debugcontroller详细介绍见附录B。基

3、本CPU的设计完成从指令系统到CPU的设计。这里提供3个测试程序，通过运行测试程序进行正确性评定。三、实验步骤与现象1．Testl(EXl．TXT)：8位×8位乘法运算第1个测试程序，初始值R0=25，R1=6。相乘结果(150)存放在R2中。源代码见EXl．txt。(1)在QuartusⅡ下将cpuO．sof下载到FPGA中。(2)打开Debugcontroller，执行File→RuleOpen命令，打开规则文件cpu．txt。(3)在Debugcontroller中，执行File→Code

4、Open命令，打开汇编文件EXl．txt。(4)在Debugcontr01ler中，执行Build→CompileCode命令，将EXl．txt编译得到目标二进制文件，显示在机器代码窗口中。(5)在Debugcontroller中，执行Build→UploadBIN命令，将目标二进制代码写入实验台上存储器中。为了检查是否正确写入，执行Build→DownloadRAM命令，将存储器中代码读回(从0开始，本例中写入18个words，所以从0～17)，以做比较。(6)在Debugcontroller

5、中，利用Debug菜单中的命令调试程序。注意，CPU下载一次后不必再下载，除非重启实验台!但是每次执行新程序前要按实验台上的CPU复位按钮，使FPGA-CPU复位，然后执行Debug→Reset命令，使Debugcontroller处于开始调试状态。实验截图：执行前：执行后：2．Test2(EX2．TXT)：内存读写测试第2个测试程序：将32～0存到0x11F～0x100，将16～1取出，存到0x020F～0x0200，源代码见EX2．txt。按照第1个测试程序的实验步骤，对程序进行调试，不过要

6、注意：①不需要对cpuO．sol重新下载。②不需要重新打开规则文件cpu．txt。③在将测试文件EX2．txt编译并下载到实验台上的存储器中后，要首先按实验台上的CPU复位按钮，使FPGA-CPU复位，然后执行Debugcontroller中的Debug→Reset命令，使Debugcontroller处于开始调试状态。实验截图：执行前：执行后：3．Test3(EX3．TXT)：冒泡排序执行前：第3个测试程序：0x00FF～0x0104存储532164，升序排序后存储在Ox01FF～0x0204

7、。参照第2个测试程序的实验步骤，对程序进行调试。观察内存地址的内容。OxOOFF～0x0104是532164，0x01FF～0x0204存储是123456。执行后：四．测试程序在CPU上运行的测试程序有3个，设计的CPU能够运行这些程序(或者性能相当的程序)是基本要求，指令格式自定。T1．txt测试基本的ALU指令，跳转指令；T2．txt测试内存读写，做数据缓存的CPU可能需要在程序后面添加若干指令，以保证缓存内的内容被写回到内存中；T3．txt两者兼有。T1．txt；8bitX8bit；；测试

8、指令：置立即数，AND，条件跳转，左移，右移；MAIN：SETr0，25；被乘数SETrl，6；乘数SETr2，0；结果SETr3，8；循环次数L00P：SETr4，1ANDr4．r1BZr4，T1；r4—0时往前跳转T1标号处ADDr2，r0；否则加到部分积T1：SHLr0；逻辑左移一位SHRr1；逻辑右移一位DECr3；r3减1BNZr3，L00PT2：BMAIN；结束，返回重新开始T2．txt；memorycopy；内存读写测试MAIN：SETr0，0xff；源地址SETrl，0xlff；