电子科大-系统结构实验-补全流水线结构图.doc

实验报告课程名称：计算机系统结构实验学院：计算机科学与工程学院专业：计算机科学与技术指导教师：好老师学生姓名：爱学习的小学生 6666666666666实验成绩：日期：2017年5月5日电子科技大学计算机学院实验中心 电 子 科 技 大 学实 验 报 告一、 实验项目名称：流水线代码分析二、 实验室名称：主楼A2-412 实验时间：2017年5月5日三、 实验目的1. 熟悉代码中的模块名和接口信号，并理解其作用；2. 通过补全流水线的模块图，进一步熟悉代码中各模块的连接细节，加强对流水线CPU工作原理的掌握。四、 实验原理（一） Verilog HDL知识回顾（1）5种抽象的级别：系统级、算法级、RTL级、门级、开关级（2）功能:1. 可描述顺序执行或并行执行的程序结构；2. 用延迟表达式或事件表达式来明确地控制过程的启动时间；3. 通过命名的事件来触发其他过程里的激活行为或停止行为。4. 提供了条件（如if_else，case等）循环程序结构；5. 提供了可带参数并且非零延续时间的任务（task）程序结构；6. 提供了可定义新的操作符的函数（function）结构；7. 提供了用于建立表达式的算术运算符、逻辑运算符、位运算符。8. 提供了一套完整的组合型原语（Primitive）；（二） Verilog HDL的基本语法（三） 流水线CPU原理图（四） ISE的使用（五） 流水线CPU工作原理五、 实验内容1. 列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用；2. 补全流水线的模块图： a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字； b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。3. 对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理。六、 实验器材（设备、元器件）ISE Design Suite 14.7集成开发环境，编程语言：Verilog HDL硬件描述语言七、 实验步骤1.看懂老师给的CPU源代码；2.仔细对比各模块的形参，与最顶层模块中的实参，列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用；3.根据代码补充完善“流水线结构补充图”：a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字；b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。4. 对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理。八、 实验数据及结果分析（一） 列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用：1. module pipelinedcpu(clock,resetn,pc,inst,ealu,malu,walu);模块名：pipelinedcpu接口信号: clock,resetn,pc,inst,ealu,malu,walu作用：规定统一的接口信号，连接各个模块，实现CPU总体结构2. module pipepc(npc,clk,clrn,pc);模块名：pipepc接口信号: npc,clk,clrn,pc作用：prog_cnt，实现程序计数器PC3. module pipeif(pcsource,pc,bpc,rpc,jpc,npc,pc4,ins);模块名：pipeif接口信号: pcsource,pc,bpc,rpc,jpc,npc,pc4,ins作用：if_stage，实现取指IF级4. module pipeir(pc4,ins,clk,clrn,dpc4,inst);模块名：pipeir接口信号: pc4,ins,clk,clrn,dpc4,inst作用：inst_reg，实现IF级与ID级之间的寄存器，即指令寄存器IR5. module pipeid(dpc4,inst,wrn, wdi,wwreg,clk,clrn,bpc,jpc,pcsource, wreg,m2reg,wmem,aluc,aluimm,a,b,imm,rn, shift,jal,rsrtequ);模块名：pipeid接口信号: dpc4,inst,wrn,wdi,wwreg,clk,clrn,bpc,jpc,pcsource,wreg,m2reg,wmem,aluc,aluimm,a,b,imm,rn, shift,jal,rsrtequ作用：id_stage，实现译码ID级6. module pipedereg(dwreg,dm2reg,dwmem,daluc,daluimm,da,db,dimm,drn, dshift,djal,dpc4,clk,clrn,ewreg,em2reg,ewmem, ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,ern,eshift,ejal,epc4);模块名：pipedereg接口信号:dwreg,dm2reg,dwmem,daluc,daluimm,da,db,dimm,drn,dshift,djal,dpc4,clk,clrn,ewreg,em2reg,ewmem, ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,ern,eshift,ejal,epc4作用：de_reg，实现ID级与EXE级之间的寄存器7. module pipeexe(ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,eshift,ern0,epc4,ejal,ern,ealu,z);模块名：pipeexe接口信号: ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,eshift,ern0,epc4,ejal,ern,ealu,z作用：exe_stage，实现指令执行EXE级8. module pipeemreg(ewreg,em2reg,ewmem,ealu,eb,ern,clk,clrn, mwreg,mm2reg,mwmem,malu,mb,mrn);模块名：pipeemreg接口信号:ewreg,em2reg,ewmem,ealu,eb,ern,clk,clrn,mwreg,mm2reg,mwmem,malu,mb,mrn作用：em_reg，实现EXE级与MEM级之间的寄存器9. module IP_RAM(we,addr,datain,clk,dataout);模块名：IP_RAM接口信号: we,addr,datain,clk,dataout作用：mem_stage，实现存储器访问MEM级10. module pipemwreg(mwreg,mm2reg,mmo,malu,mrn,clk,clrn, wwreg,wm2reg,wmo,walu,wrn);模块名：pipemwreg接口信号: mwreg,mm2reg,mmo,malu,mrn,clk,clrn,wwreg,wm2reg,wmo,walu,wrn作用：mw_reg，实现MEM级与WB级之间的寄存器11. module mux2x32(a0,a1,s,y);模块名：mux2x32接口信号:a0,a1,s,y作用：wb_stage，实现结果写回WB级，选择结果写回的来源是ALU还是数据存储器（二）补全流水线的模块图： a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字；b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。具体见下图：（三）对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理：流水线处理机组成结构如后上图，把执行指令的过程分为5部分，使其能够按流水线方式执行指令：（1）IF(instruction fetch)取指令；（2） ID(instruction decode)指令译码并读寄存器操作数；（3）EXE(execution)执行；（4） MEM(memory access)存储器访问；（5）WB(write back)写回。指令执行从左移向右通过电路，但有两处从右向左的例外：（1）WB级：把运算结果写回寄存器堆中；（2）IF级：把经过计算的下一条指令的地址写入程序计数器PC中。流水线处理机的最大特点：每一个时钟周期取出一条指令来执行。所有的指令按取出的先后次序通过数据路径。依照指令类型的不同，每种指令在执行过程中可能会用到数据路径的不同的部分。九、 总结、改进建议及心得体会（一） 总结：经过努力，完成了对源代码各个模块和接口信号的分析，补全了流水线CPU的结构图，较好的完成了本次实验。（二） 改进建议：根据