计算机组成原理实验报告-单周期cpu的设计与实现

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1、计算机组成原理实验报告-单周期CPU的设计与实现电子科技大学计算机科学与工程学院标准实验报告（实验）课程名称：计算机组成原理实验电子科技大学教务处制表电子科技大学实验报告学生姓名：郫县尼克杨学号：2014666666666指导教师：陈虹实验地点：主楼A2-411实验时间：12周-15周一、实验室名称：主楼A2-411二、实验项目名称：单周期CPU的设计与实现。三、实验学时：8学时四、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。1个时钟周期Clock一条指令的执行过程包括：取指令

2、→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2MIPS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。312625212016151110650R型指令31op2625rs2120rt1615rdsafunc0I型指令31op2625rsrtimmedia

3、te0J型指令opaddress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

4、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3（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（N

5、ewProject）启动ISEDesignSuite13.4软件，然后选择菜单File→NewProject，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：MODULEMU

6、X5_2_1(INPUT[4:0]A,INPUT[4:0]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：4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;//INPUTSREG[4:0]A;REG[4:0]B;REGSEL;//OUTPUTSWIRE[4:0]C;//INSTANTIATETHEUNITUNDERT

7、EST(UUT)MUX5_2_1UUT(.A(A),.B(B),.SEL(SEL),.C(C));INITIALBEGIN//INITIALIZEINPUTSA=0;B=0;SEL=0;//WAIT100NSFORGLOBALRESETTOFINISH#100;A=5'B10100;B=0;SEL=1;//WAIT100NSFORGLOBALRESETTOFINISH#100;A=1;B=5'B10000;SEL=0;//WAIT100NSFORGLOBALRESETTOFINISH#100;A=5'B00000;B=5&

8、#39;B11000;SEL=1;//ADDSTIMULUSHEREEND5ENDMODULE然后进行仿真，仿真结果如图所示：b.32位