系统硬件综合设计.doc

精品计算机与信息学院系统硬件综合设计课程设计报告学生姓名： 李 学 号： 1234567890 专业班级： 计算机 2017 年 07 月 01日一、实验原理及设计本次试验我主要根据上图进行理解和编程，起先参考了5个基础实验，期间又翻阅了自己动手写cpu，并且在网上查了很多资料，下面我将对该图做出我的理解和设计:1. pcf部分always (posedge Clk) beginPCPlus4F_Reg = PCPlus4F;if (BranchM&ZeroM) PCF = PCBranchM;else PCF = PCPlus4F;InstructionF_Reg = InstructionF;if (InstructionF31:26 = 6b000010) begin PCF = 6h0,InstructionF25:0;PCF = PCF 2;endEndassign PCPlus4F = PCF + 4;assign ImemRdAddrF = PCF;每个时钟上升沿到来，根据上一个时钟的PCSrcM判断是否为分支指令，若是，则选择PCBranchM作为这个时钟的指令地址，否则选PCF+4作为这个指令的指令地址，另外对于J类指令，我设计了一个特定的OpCode=“000010”，即为跳转指令，因为每个指令以字节格式存储，占用,4个字节，故将后26位立即数进行位扩展后将其左移两位，效果等同于乘4，再将其赋值给PCF，这样下一跳的指令地址即为所要跳转的地址。对于这个部分，我起先是准备将其设计成一个模块的，之后由于模块接口连接时出现了无法解决的错误：输出PCF要作为Instruction Memory的输入，又要作为自身模块下一跳的输入，导致三者关联一起变化，程序报错，后来我又想到将PCF的输出改成两个，PCFout及PCFnext，PCFout作为Instruction Memory的输入，PCFnext作为自身模块下一跳的输入，但是程序仍无法正常运行，最后我想到了在top模块中对PCF进行处理并得以实现。2.Instruction Memory模块 initial begin$readmemh(instruction, InstMem, 8h0); end always (ImemRdAddr) beginInstruction 2; end这个模块很简单，主要是通过instructin文档来存储指令，以PCF作为地址取出指令输出至Control，SignExtend，Register三个模块。3.Ctr模块 always (OpCode) begincase(OpCode)/ R-I/ addiu6b001001:beginRegDstD = 1;ALUSrcD = 1;MemtoRegD = 0;RegWriteD = 1;MemWriteD = 0;BranchD = 0;ALUOp = 2b10;end/addi.endcaseend always (ALUOp or Funct) begincasex(OpCode ,ALUOp, Funct) 14b10001100xxxxxx: ALUControlD = 5b00010; / LW : add14b00010001xxxxxx: ALUControlD = 5b00110; / SW : substract beq.endcaseendendmoduleControl模块主要对来自Instruction Memory模块的指令进行分解，得到OpCode(指令高六位)，Funct（指令低六位），在通过分析OpCode得到RegDstD，ALUSrcD ，MemtoRegD，RegWriteD，BranchD ，ALUOp这六个信号量，用于后面的运算，再使用OpCode ,ALUOp, Funct三者的组合对指令的运算方法进行分析，得到相应的ALUControlD输出至ALU模块。4.Register模块initialbegin$readmemh(register, regFile, 32h0);end/ write on falling clock edgealways (posedge Clk)beginif(RegWrite = 1b1)regFileRegWrAddr = 0)? regFileRegARdAddr:0;assign RegBRdData = (RegBRdAddr = 0)? regFileRegBRdAddr:0;通过信号量RegWrite来判断读写操作，RegWrite=1即为写操作，0为读操作，读写皆操作于建立的register文档中，另在top模块中有assign RegARdAddr = InstructionD25:21;assign RegBRdAddr = InstructionD20:16;对寄存器地址赋值，register读出的两个数可供ALU选择使用。5. ALU模块assign Zero = (ALURes = 0)? 1:0;/ALURes 0 跳转always (SrcA or SrcB or ALUCtr)begin OverFlow = 0;TmpForSrcB = 0;HI = 0;LO = 0;A = 0;B = 0;case(ALUCtr)5b10011: beginTmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 & ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1b0;endelse if (SrcA31 = TmpForSrcB31 & ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1b1;end .default: ALURes = 32h0;endcaseendALU模块进行的是运算操作，本模块通过来自Control模块的ALUCtr判断所要执行的运算，在通过Register模块读出的值或者从Instruction中得到的立即数进行运算，结果ALURes根据信号量MemToReg来判断是否写入DataMemory，这一块写在top中，另外ALU还对Zero信号量进行了赋值，Zero信号量用于对分支指令的判断。6. Data Memory模块initialbegin$readmemh(Data, DataMem, 10h0);endalways (posedge Clk) beginif(DmemWrite = 1b1)DataMemDmemAddr2 2:0;endmodule本模块通过从Ctr模块得来的信号量DmemWrite选择进行读写操作，读写皆操作于所建立的Data文档，另外DmemAddr左移两位跟上述PCF左移两位异曲同工。7.top模块这个模块相比前面的6个模块要复杂得多，也是我在实验时出现问题最多，所花时间最长的模块。Top模块主要用于各个模块之间的数据连接，以及一些模块外的操作。PCF的设计我是放在这个模块的，另外像二选一数据选择器我也是放在这里的，本来是写了一个小模块来做这个工作，但是本次试验用到太多次二选一数据选择器了，为了防止数据传输紊乱，我决定在top中解决这个小操作。由于本模块代码太长，这里就不一一阐述，仅以Ctr的例化和接口连接为例简要说明：Ctr Ctr(.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.RegWriteD(RegWriteForCtrD),.MemtoRegD(MemtoRegD),.MemWriteD(MemWriteD),.BranchD(BranchD),.ALUControlD(ALUControlD),.ALUSrcD(ALUSrcD),.RegDstD(RegDstD);assign OpCode = InstructionD31 : 26;assign Funct = InstructionD5 : 0;assign RegWrDataD = (MemtoRegW)? ReadDataW : ALUOutW;always (posedge Clk) beginMemtoRegD_Reg = MemtoRegD;MemWriteD_Reg = MemWriteD;BranchD_Reg = BranchD;ALUControlD_Reg = ALUControlD;ALUSrcD_Reg = ALUSrcD;RegDstD_Reg = RegDstD;end输入来源OpCode来自于取指阶段Instruction的高6位，Funct来自于取指阶段Instruction的低6位，RegWriteD通过信号量MemToRegW来选择ReadDataW 或 ALUOutW，输出信号量MemtoRegD，MemWriteD，BranchD，ALUControlD，ALUSrcD，RegDstD作为Reg模块的输入。2、 指令设计本次试验实现了3种34条指令，实验时原以为指令格式为固定的，查阅很多资料都没得到想要的OpCode与指令操作一一对应的关系，问了指导实验的学长才知道，OpCode是自己设计的，后又参考自己动手写cpu的指令设计技巧，才总结设计出指令。3种指令：R类型：具体操作由OpCode，Funct来控制，rs，rt为源寄存器，rd为目的寄存器，sa为移位位数。I类型：具体操作由OpCode控制，低16位是立即数，经过位扩展作为另一个源操作数参与用算。J类型：具体操作由OpCode控制，一般是跳转指令，低26位经过位扩展作为目标地址。34条 指令：32b101011 00001 00100 000000000000010ALURes = SrcA - SrcB;Store指令，判断00001号寄存器的值是否等于00100号寄存器的值，若相等，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000000 00001 00010 00011 00000 100000TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) | (SrcA31 = TmpForSrcB31 & ALURes31 = SrcA31)beginOverFlow = 1b0;endelse if (SrcA31 = TmpForSrcB31 & ALURes31 != SrcA31)beginOverFlow = 1b1;endAdd指令，有符号加法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号加法，结果放到00003号寄存器中；32b000101 00001 00010 0000000000000010ALURes = (SrcA - SrcB);Bne指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行比较，若不相等，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000100 00001 00010 0000000000000010ALURes = SrcA - SrcB;Beq指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行比较，若相等，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA = 0)?0:1;Bgez指令，实现00001号寄存器的值与0比较，若大于等于0，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000111 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA 0)?0:1;Bgtz指令，实现00001号寄存器的值与0比较，若大于0，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000110 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA = 0)?0:1;Blez指令，实现00001号寄存器的值与0比较，若小于等于0，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b010001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA 0)?0:1;Bltz指令，实现00001号寄存器的值与0比较，若小于0，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b100011 00001 00010 00011 00000 100001ALURes = SrcA + SrcB;Addu指令，无符号加法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号加法，结果放到00003号寄存器中；32b100011 00001 00010 00011 00000 100011ALURes = SrcA - SrcB;subu指令，无符号减法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号减法，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100100ALURes = SrcA & SrcB;And指令，与操作，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行与操作，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100101ALURes = SrcA | SrcB;OR指令，或操作，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行或运算，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 101010ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;slt指令，有符号比较操作，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号比较，若SrcA SrcB，则置1，否则置0；32b000000 00001 00010 00011 00000 101010ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;sltu指令，无符号比较操作，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号比较，若SrcA SrcB，则置1，否则置0；32b000000 00001 00010 00011 00000 011010ALURes = SrcA / SrcB;LO = SrcA / SrcB;HI = SrcA % SrcB;div指令，有符号除法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号除法，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 011000 A = SrcA31:31?32hffffffff, SrcA : 32h00000000, SrcA;B = SrcB31:31?32hffffffff, SrcB : 32h00000000, SrcB;Temp = A * B ;ALURes = Temp31:0;HI = Temp63:32;LO = Temp31:0;mul指令，有符号乘法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号乘法，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 000100ALURes = (SrcB SrcA);srlv指令，逻辑可变右移指令，实现将00001号寄存器的值右移00002号寄存器的值位，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcB SrcA);xor指令，异或指令，实现将00001号寄存器的值和00002号寄存器进行异或，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcA SrcB); xor指令，异或指令，实现将00001号寄存器的值和00002号寄存器进行异或，结果放到00003号寄存器中；32b001001 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB; addiu指令，无符号立即数加法指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行无符号加法，结果放到00003号寄存器中；32b001100 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB; addi指令，有符号立即数加法指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行有符号加法，结果放到00003号寄存器中；32b001101 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA | SrcB; ori指令，立即数或指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行或运算，结果放到00002号寄存器中；32b001101 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA SrcB ? 1:0; slti指令，有符号立即数比较操作，实现将00001号寄存器的值和立即数进行有符号比较，若SrcA SrcB，则置1，否则置0；32b001110 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = (SrcA SrcB);xori指令，立即数异或指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行异或运算，结果放到00002号寄存器中；32b001011 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA SrcB ? 1:0; slti指令，无符号立即数比较操作，实现将00001号寄存器的值和立即数进行无符号比较，若SrcA SrcB，则置1，否则置0；32b000000 00001 00010 00011 00001 000000 ALURes = (SrcB SrcA); srl指令，逻辑右移指令，实现将00001号寄存器的值右移sa位，结果存入00002号寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00001 000111j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;/*for(i = 0; i 1);srav指令，算术可变右移指令，实现将00001号寄存器的值算术右移sa位，结果存入00002号寄存器； 32b000000 00001 00010 00011 00001 000011j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;TmpForSrcB = TmpForSrcBSrcA;if (j)beginALURes = (TmpForSrcB31:31), TmpForSrcB30:0;endelsebeginALURes = TmpForSrcB;end sra指令，算术右移指令，实现将00002号寄存器的值算术右移00001号寄存器的值位，结果存入00003号寄存器；32b000000 00001 00010 00011 00000 100010ALURes = SrcA - SrcB;sub指令，有符号减法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号减法，结果放到00003号寄存器中；32b001000 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addi指令，立即数加法指令，实现将00001号寄存器和00立即数进行有符号加法，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 000