华科_HUST_微机原理_类MIPS单周期微处理器设计_实验报告

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1、微机原理实验报告学号姓名华中科技大学专业通信1301指导教师罗杰院（系、所）电信学院类MIPS单周期微处理器设计一．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

2、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．各模块实现原理1.指令存储器设计指令存储器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。设置一个程序计数器指针PC指向指令存储器，当时钟上升沿到来时，取出PC所指的指令，当时钟的下降沿到来时，修改PC的值，使其指向下一条要执行的指令。因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。在本实验中调用ISE提供的IP核进行设计，设定的指令存储器大小为

3、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。2.数据存储器设计数据存储器为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

4、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。1.寄存器组设计寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS

5、中一共有32个32位寄存器。在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能够写入，因此该模块的输入为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，

6、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,in

7、putreset,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];int

8、egeri;always@(posedgeclk)beginif(!reset)beginif(regWriteEn==1)beginregs[regWriteAddr]=regWriteData;endendelsebeginfor(i=0;i<31;i=i+1)regs[i]=0;regs[31]=32'hffffffff;e