计算机组成原理实验报告-单周期CPU的设计与实现.docx

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1、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36实验报告学生姓名：郫县尼克杨学号：66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）概述指令0指令1指令5指令2指令41个时钟周期Clock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。一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操

2、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36MIPS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。263125212016151110650oprsrtrdsafuncR型指令263125212016150oprsrtimmediateI型指令2

3、631250opaddressJ型指令本实验只选取了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。一、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。二、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

4、块的设计与实现。（三）对设计的各个模块的仿真测试。（四）整个CPU的封装与测试。三、实验器材（设备、元器件）：（一）安装了XilinxISEDesignSuite13.4的PC机一台36（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。一、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

5、路选择器、32位寄存器堆、ALU等。（一）新建工程（NewProject）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VerilogMod

6、ule模块，名称为：MUX5_2_1，然后输入其实现代码：moduleMUX5_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：36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;regse

7、l;//Outputswire[4:0]C;//InstantiatetheUnitUnderTest(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;//Wait1

8、00nsforglobalresettofinish#100;A=5'b00000;B=5'b11000;sel=1;//Addstimulushereend36endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示：b.32位2选1多路选择器的设计与实现在ISE集成开发环境中，在