华科_HUST_微机原理_类MIPS单周期微处理器设计_实验报告

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Xilinx FPGA nexys4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）支持基本的算术逻辑运算如add，sub，and，o

2、r，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

3、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

4、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。3. 寄存器组设计寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS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、RtAdd

5、r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，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，R

6、egWriteEn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：module regFile( input clk, input reset, input 31:0 regWriteData, input 4:0 regWriteAddr, input regWriteEn, output 31:0 RsData, output 31:0 RtData, input 4:0 RsAddr, input 4:0 RtAddr );reg31:0 regs0:31;assign RsData = (RsAddr = 5b0

7、)?32b0:regsRsAddr;assign RtData = (RtAddr = 5b0)?32b0:regsRtAddr;integer i;always (posedge clk)beginif(!reset)beginif(regWriteEn=1)beginregsregWriteAddr=regWriteData;endendelsebeginfor(i=0;i31;i=i+1)regsi=0;regs31=32hffffffff;endendendmodule4. ALU设计在这个简单的MIPS指令集中，微处理器支持的add、sub、and、or和slt运算指令，需要利用AL

8、U单元实现运算，同时数据存储指令sw和lw也需要通过ALU单元计算存储器地址，条件跳转指令beq需要ALU来比较两个寄存器是否相等。所有这些指令包含的操作为加、减、与、或和小于设置5钟不同的操作。该模块根据输入控制信号对输入数据进行相应的操作，并获得输出结果以及零标识，由于MIPS处理器ALU单元利用4根输入控制信线的译码决定执行何种操作，于是该操作的输入接口为input1、input2和aluCtr，输出端口为zero和aluRes。ALU模块在顶层模块被调用。input1来自于寄存器组模块输出信号Rsdata，input2来自于寄存器组模块输出信号Rtdata或者是立即数符号扩展模块的输出

9、信号（通过一个选择器MUX2进行选择），aluCtr来自于aluctr模块的输出端。aluRes与zero为ALU单元的运算结果，其中zero主要用于beq指令。代码如下：module ALU( input 31:0 input1, input 31:0 input2, input 3:0 aluCtr, output 31:0 aluRes, output zero );reg zero;reg31:0 aluRes;always (input1 or input2 or aluCtr)begincase(aluCtr)4b0110:beginaluRes=input1-input2;if(

10、aluRes=0)zero=1;elsezero=0;end4b0010:aluRes=input1+input2;4b0000:aluRes=input1&input2;4b0001:aluRes=input1|input2;4b1100:aluRes=(input1|input2);4b0111:beginif(input1input2)aluRes = 1;enddefault:aluRes = 0;endcaseendendmodule5. ALU控制设计ALU单元对应的5种操作的编码。MIPS指令中具有6位操作码，如果为R型指令，进一步采用6位功能码来表示R型指令的具体操作。由于设计

11、的微处理器支持的运算类指令全部为R型指令，因此可以通过对R型指令的6位功能码编码产生ALU的4为控制信号。但是lw、sw以及beq、j型指令没有功能码，因此需要区分指令的类型。由于只有三类指令需要ALU单元，因此可以采用两位二进制码对指令的ALU操作类型进行编码。指令的ALU操作类型编码由指令译码器产生。通过2位操作类型码以及6位指令功能码就可以产生ALU单元的4位控制信号。指令2位操作码指令功能6位功能码ALU的运算ALU的控制信号LW00取字XXXXXX加0010SW00存字XXXXXX加0010BEQ01相等跳转XXXXXX减0110R型指令10加100000加0010R型指令10减10

12、0010减0110R型指令10与100100与0000R型指令10或100101或0001R型指令10小于设置101010小于设置0111ADDI11加立即数XXXXXX加0010因此该模块的主要功能就是根据译码控制单元产生的2位操作码以及6位功能码产生4位ALU控制信号，因此输入信号为aluop（2位）、funct（6位），输出信号为aluctr（4位）。ALU控制模块在顶层模块被调用。aluop来自于控制器对指令的6位opcode的译码，而funct来自于指令的后6位。module aluctr( input 1:0 ALUOp, input 5:0 funct, output 3:0 A

13、LUCtr );reg3:0 ALUCtr;always (ALUOp or funct)casex(ALUOp,funct)8b00xxxxxx:ALUCtr=4b0010;8b01xxxxxx:ALUCtr=4b0110;8b11xxxxxx:ALUCtr=4b0000;8b10xx0000:ALUCtr=4b0010;8b10xx0010:ALUCtr=4b0110;8b10xx0100:ALUCtr=4b0000;8b10xx0101:ALUCtr=4b0001;8b10xx1010:ALUCtr=4b0111;endcaseendmodule6. 控制器设计控制器输入为指令的opCo

14、de字段，即操作码。操作码经过主控制单元的译码，给ALUCtrl、Data Memory、Registers、Muxs等部件输出正确的控制信号。指令opcodeR型:add,sub,and,or,slt000000I型:lw100011I型:sw101011I型:beq000100J型:J000010I型:addi001000该模块在顶层模块中被调用，输入的opcode来自于指令的前6位，而输出信号aluSrc、MemToReg、RegWrite、MemRead、MemWrite、branch、aluop和jmp则是对6位opcode的译码。译码结果在此不做说明。代码如下：module ctr

15、( input 5:0 opCode, output regDst, output aluSrc, output memToReg, output regWrite, output memRead, output memWrite, output branch, output 1:0 aluop, output jmp );reg regDst;reg aluSrc;reg memToReg;reg regWrite;reg memRead;reg memWrite;reg branch;reg1:0 aluop;reg jmp;always (opCode)begincase(opCode)

16、6b000010:/jmpbeginregDst=0;aluSrc=0;memToReg=0;regWrite=0;memRead=0;memWrite=0;branch=0;aluop=2b00;jmp=1;end6b000000:/RbeginregDst=1;aluSrc=0;memToReg=0;regWrite=1;memRead=0;memWrite=0;branch=0;aluop=2b10;jmp=0;end6b100011:/lwbeginregDst=0;aluSrc=1;memToReg=1;regWrite=1;memRead=1;memWrite=0;branch=0

17、;aluop=2b00;jmp=0;end6b101011:/swbeginregDst=0;aluSrc=1;memToReg=0;regWrite=0;memRead=0;memWrite=1;branch=0;aluop=2b00;jmp=0;end6b000100:/beqbeginregDst=0;aluSrc=0;memToReg=0;regWrite=0;memRead=0;memWrite=0;branch=1;aluop=2b01;jmp=0;end6b001100:/andibeginregDst=0;aluSrc=1;memToReg=0;regWrite=1;memRe

18、ad=0;memWrite=0;branch=0;aluop=2b11;jmp=0;enddefault:beginregDst=0;aluSrc=0;memToReg=0;regWrite=0;memRead=0;memWrite=0;branch=0;aluop=2b00;jmp=0;endendcaseendendmodule7. 立即数符号扩展模块设计对于I型指令，将指令的低十六位作为立即数符号扩展模块的输入inst15:0,如果十六位立即数的最高位（即符号位）为1，则在inst15:15前面补16个1，如果为0，则在前面补16个0。然后将符号扩展之后的data31:0通过一个选择器（

19、即MUX2）输送到ALU单元的第二个源操作数输入端（即input2）。代码如下：module signext( input 15:0 inst, output 31:0 data );assign data=inst15:15?16hffff,inst:16h0000,inst;endmodule8. 顶层设计顶层模块需要将前面的多个模块实例化后，通过导线以及多路复用器将各个部件连接起来，并且在时钟的控制下修改PC的值，PC是一个32位的寄存器，每个时钟沿自动增加4。多路复用器MUX直接通过三目运算符实现，例如assign OUT = SEL ? INPUT1 : INPUT2;其中，OUT、

20、SEL、INPUT1和INPUT2都是预先定义的信号。代码如下：module top( input clkin, input reset );reg31:0 pc,add4;wire choose4;wire31:0 expand2,mux2,mux3,mux4,mux5,address,jmpaddr,inst;wire4:0 mux1;/wire for controllerwire reg_dst,jmp,branch,memread,memwrite,memtoreg;wire1:0 aluop;wire alu_src,regwrite;/wire for aluunitwire z

21、ero;wire31:0 aluRes;/wire for aluctrwire3:0 aluCtr;/wire for memorywire31:0 memreaddata;/wire for registerwire31:0 RsData,RtData;/wireforextwire31:0 expand;always (negedge clkin)beginif(!reset) beginpc=mux5;add4=pc+4;endelse beginpc=32b0;add4=32h4;endendctr mainctr(.opCode(inst31:26),.regDst(reg_dst

22、),.aluSrc(alu_scr),.memToReg(memtoreg),.regWrite(regwrite),.memRead(memread),.memWrite(memwrite),.branch(branch),.aluop(aluop),.jmp(jmp);ALU alu(.input1(RsData),.input2(mux2),.aluCtr(aluCtr),.zero(zero),.aluRes(aluRes);aluctr aluctr1(.ALUOp(aluop),.funct(inst5:0),.ALUCtr(aluCtr);dram dmem(.a(aluRes7

23、:2),.d(RtData),.clk(!clkin),.we(memwrite),.spo(memreaddata);irom_number imem(.a(pc8:2),.clk(clkin),.spo(inst);regFile regfile(.RsAddr(inst25:21),.RtAddr(inst20:16),.clk(!clkin),.reset(reset),.regWriteAddr(mux1),.regWriteData(mux3),.regWriteEn(regwrite),.RsData(RsData),.RtData(RtData);signext signext

24、(.inst(inst15:0),.data(expand);assign mux1=reg_dst?inst15:11:inst20:16;assign mux2=alu_scr?expand:RtData;assign mux3=memtoreg?memreaddata:aluRes;assign mux4=choose4?address:add4;assign mux5=jmp?jmpaddr:mux4;assign choose4=branch&zero;assign expand2=expand= 1; i=i-1) beginregWriteAddr = i;RsAddr=i;#P

25、ERIOD;endendEndmodule结果如下:Reset高电平下输出为0，Reset无效后，正常输入和输出数据，Reset正常工作。第一次for循环的地址范围输出数据在低电平时输出0，高电平输出0x55aaaa55，如图所示，说明数据是在时钟上升沿写入，之后输出的数据与写入的数据相同，数据都保存在了寄存器组中，工作正常。2. 控制器仿真：代码如下:如下：module ctrsim;/ Inputsreg 5:0 opCode;/ Outputswire regDst;wire aluSrc;wire memToReg;wire regWrite;wire memRead;wire mem

26、Write;wire branch;wire 1:0 aluop;wire jmp;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)ctr uut (.opCode(opCode), .regDst(regDst), .aluSrc(aluSrc), .memToReg(memToReg), .regWrite(regWrite), .memRead(memRead), .memWrite(memWrite), .branch(branch), .aluop(aluop), .jmp(jmp);initial begin/ Initialize InputsopCode = 0;/ Wait 100