lab04单时钟周期的设计实验

1、计算机组实验实验报告课程名称：计算机组实验编号：04实验实验名称：单时钟周期 CPU 设计报告时间：2014.04.13姓名：学号：121220068院系：12 级计算机科学与技术系班级：2 班邮箱：时间：2014.04.13一 实验目的：1、理解MIPS常用的指令系统并掌握单时钟周期CPU的工作原理与逻辑功能实现2、通过对单时钟周期CPU的运行状况进行观察和分析，进一步加深理解。二 实验设备：1、装有 Quartus II 的计算机一台。2、Altera DE2-70 开发板或 Altera DE2-115 开发板一块。三 实验任务：用Verilog HDL语言或VHDL语言来编写，实现单时

2、钟周期CPU设计，并在QuartusII或Msim上实现模拟（最好时序）。能够完成以下十六条指令，为了使MIPS单时钟周期CPU指令信号表比较好看，我们首先对以下十六条指令进行定义：指令1：add rd,rs,rt指令2：addi rt,rs,imm指令3：addiu rt,rs,imm指令4：sub rd,rs,rt指令5：subu rd,rs,rt指令6：seb rd,rt指令7：luirt,imm指令8：xori rt,rs,imm指令9：clo rd,rs指令10：clz rd,rs指令11：sravrd,rt,rs指令12：rotr rd,rt,shamt指令13：sltu rd,r

3、s,rt指令14：slti rt,rs,imm指令15：j target指令16：bgez rs,offset四 实验原理与电路图：MIPS 是典型的 RISC 处理器，采用 32 位定长指令字，操作码字段也是固定长度，没有专门的寻址方式字段，由指令格式确定各操作数的寻址方式。指令格式只有三种：（1） R-型指令是 RR 型指令，其操作码 OP 为“000000”，操作类型由 func字段指定，若是双目运算类指令，则 rs 和 rt 的内容分别作为第一和第二源操作数，结果送 rd；若是移位指令，则对 rt 的内容进行移位，结果送 rd，所移位数由 shamt 字段给出。因为一条指令需要左移或右

4、移若干位，所以 MIPS 中移位指令多用桶形移位器以提高速度。R 型指令的寻址方式只有一种，就是寄存器寻址。add, addu, sub, subu, nor, clo, clz, slt, sltu 属于 R-型指令。3126 2521206 位5 位5 位5 位5 位6 位oprsrtrdshamtfunc（2）I-型指令是立即数型指令，若是双目运算类指令，则将 rs 的内容和立即数分别作为第一源操作数和第二源操作数，结果送 rt；若是条件分支指令，则对 rs 和 rt 内容进行指定的运算，根据运算的结果，决定是否转到目标地址处执行，转移目标地址通过相对寻址方式得到，即将 PC 的内容和立

5、即数符号扩展后的内容相加得到。由此可知，I-型指令的寻址方式有 4 种，就是寄存器寻址、立即数寻址、相对寻址、基址或变址寻址。addi, addiu, xori, slti, sltiu, blez 属于 I-型指令。3126 25212016 1506 位5 位5 位16 位（3） J-型指令主要是无条件跳转指令，指令中给出的是26 位直接地址，只要将当前 PC 的高 4 位拼上 26 位直接地址，最后添两个“0”就可以得到 32 位的跳转目标地址。J 型指令的寻址方式只有一种，就是变通的直接寻址。j 属于 J-型指令。3126 2506 位26 位optargetoprsrt立即数下面为所

6、要实现的指令的描述：3126252120add000000rsrtrd00000100000seb00000000000rtrd00000100000addi001000rsrtimmediateaddiu001001rsrtimmediatesub000000rsrtrd00000100010subu000000rsrtrd00000100011srav000000rsrtrd00000000111xori001110rsrtimmediateclo011100rs00000rd00000100001clz011100rs00000rd00000100000这里需要注意的一点是：每完一条指令

7、以后PC 都会加 4（每条指令 32 个字节），所以 blez 指令的跳转应该是 PC = PC + 4 + (sign)imm<<2，而 j 指令第一步无须进行 PC+4 而直接计算目标地址。指令按顺序存放在内存连续单元中，指令地址由 PC 给出。CPU 取出并条指令的时间称为指令周期。单周期 CPU 的特点是，每条指令的执行都需要一个时钟周期，一条指令再执行下一条指令。由于每个时钟周期的时间长短都是一样的，因此在确定时钟周期的时间长度时，要考虑指令集中最复杂的指令执行时所需时间。运行较快的指令即使完成了运行，也需要等待时钟周期完成后，才能够进入下一条指令的运行。CPU 执行指令

8、的一般过程如下：（1）指令地址计算。顺序执行时，下条指令地址的计算比较简单，只要rotr00000000001rtrdshamt000010sltu000000rsrtrd00000101011slti001010rsrtimmediatelui00111100000rtimmediateblez000110rs00000offsetj000010target将 PC 加上当前指令长度即可；当遇到转移等改变执行顺序的指令时，则需要根据指令操作码和寻址方式决定下条指令地址的计算方式。（2）取指令。需要访存。（3）指令操作码的译码。每条指令的功能不同，所以设计到的操作过程不同，因而需要不同的信号。

9、应该根据指令的不同操作码译出不同的信号。（4）源操作数地址计算并取操作数。（5）数据操作。在ALU 等运算部件中进行运算。（6）目的操作数地址计算并存结果。现给出可以实现以上指令的单时钟周期 CPU 电路原理图。如图 3.4.4.1 所示。表3.4.4.1 给出的是指令到 ALU_op 译码表五 实验步骤1.建立工程，实验部分代码截图：2.建立文件，写测试代码：3.验证数据是否正确：首先初始化寄存器里面的是数据内容指令1：add rd,rs,rt将 R1 与 R2 寄存器里面的内容相加，存入R3寄存器里面指令2：addi rt,rs,imm按照有符号数的加法，将R1寄存器里面的内容与16h80

10、00相加存入R3中指令3：addiu rt,rs,imm将R3与16h8000按照无符号数相加存入R4中指令4：sub rd,rs,rt将R4寄存器内容减去R2寄存器内容得到的数存入R5寄存器中指令5：subu rd,rs,rt将R4寄存器内容减去R5寄存器内容存入R6寄存器中指令6：seb rd,rt将R2寄存器内容的末字节按照符号位扩展，结果存入R7中指令7：lui rt,imm将立即数的低位值存入寄存器R8的地址，将寄存器的低位值置0指令8：xori rt,rs,imm将寄存器R2与0扩展立即数的逐位逻辑异或结果存入寄存器R9中指令9：clo rd,rs将寄存器R7中数据起始为1连续1的

11、个数存入R10中，如果字中都是1，结果为32指令10：clz rd,rs将寄存器R2种数据其实为0连续0的个数存入R11中，如果字中都是0，结果为32指令11：srav rd,rt,rs由 R1 指定寄存器R11 的算术右移位数，并将结果存入寄存器R12 中指令12：rotr rd,rt,shamt由立即数shamt指定寄存器R11的右移位数，并将结果存入R13指令13：sltu rd,rs,rt寄存器R1与R2进行无符号数比较若小，寄存器R14置1，否则，置0，不产生溢出寄存器R1与R2进行无符号数比较若小，寄存器R15置1，否则，置0，不产生溢出指令14：slti rt,rs,imm寄存器

12、R2与带符号扩展立即数比较若小，寄存器R16置1，否则，置0，不产生溢出寄存器R2与带符号扩展立即数比较若小，寄存器R17置1，否则，置0，不产生溢出指令15：j target无条件跳转到R64目标指令地址指令16：bgez rs,offset若寄存器 R1 大于等于 0，转移的指令数由有符号偏移量左移 2 位来决定六 实验报告要求：填写下面单时钟周期CPU指令信号表，注明变量的取值。认真实验数据，对每条指令的结果进行截图，并加以说明。将以上实验的数据进行分析与总结。对实验中所遇到的问题，以及如何解决要给予说明。（注意到对每条指令，不影响执行结果的信号都可默认为 0）对 PC 的计算部分，在要

13、求的 16 条中，除 J 及 bgez 指令外大部分指令默认下一条指令地址为PC+4。J 指令(Jump=1)无条件跳转至(PC+431:28|IR25:0|00);Begz 在寄存器Rs 大于等于0 时，指令转移数由有符号偏移量左移2 位来决定；（即在出寄存器大于等于 0 时，跳转至（PC+4）+（Ex_offset << 2）;七 思考题：单时钟周期 CPU 有什么特点？在设计单时钟周期 CPU 应注意些什么？指令信号12345678910111213141516Rd_write_byte_en 3:0(Overflow=0)000000000000001515Rd_write

14、_byte_en 3:0(Overflow=1)0000001515ALUSrcB0110002100000100Ex_top0110000000000101ALU_op3:0932007501RegDst1001110011111000Shift_amountSrc0000000000100000ALUShift_sel0000000000110000Condition2:00000000000000003Shift_op0000000000230000Jump0000000000000010I_mem_read0000000000000000答：单周期 CPU 的特点是每条指令的执行只需要

15、一个时钟周期，指令是一条条往后执行的。在一个时钟周期内，完成指令的所有任务，包括取址、译码、取操作数、计算、存操作数、更新地址等。设计过程中应尤其注意一下几点：1.明确每条指令的功能以确定相关的，并注意各个所需要的信号的取值；2.考虑好各个/各个模块之间如何互连，也即考虑各模块输入输出之间的关系；3.各器件在时钟上升沿/下降沿的功能，尤其是寄存器组的读写操作的控制等，以保证在一个时钟周期内可以完成一条指令的所有工作；4.明确 PC 的变化条件，及指令的时间，保证程序有序正常地运行；八实验结果：这次试验虽然综合难度与前几次试验相比难度陡增，但是由于前几次试验都是为这次试验作铺垫，所以试验虽但是还是能够完成试验任务，并且通过这次试验较全面地了解了单周期的指令功能以及九 实验中遇到的问题和解决方法：1.实验：由于之前做过的试验没