系统结构实验2015

1、计算机系统结构实验计算机系统结构实验 指导老师：宋继志 刘文英实验内容实验内容n第一次实验： 基于WinDLX 实验一：熟悉模拟器实验一：熟悉模拟器WinDLX的使用的使用 实验二：流水线中的相关实验二：流水线中的相关 n第二次实验：基于TEC-CA 实验系统 实验三：环境熟悉与基本实验三：环境熟悉与基本CPU设计设计 实验四：多级流水实验四：多级流水CPU设计设计实验报告实验报告n实验结束后完成实验报告，实验结束后完成实验报告，4个实验最后一起上交个实验最后一起上交n4个实验要求分别写报告，按以下顺序装订一本，附上封面 实验一：熟悉模拟器实验一：熟悉模拟器WinDLX的使用的使用 实验二：流

2、水线中的相关实验二：流水线中的相关 实验三：环境熟悉与基本实验三：环境熟悉与基本CPU设计设计 实验四：多级流水实验四：多级流水CPU设计设计计算机实验中心网站的建设与完善下载地址与内容双击桌面“我的电脑”,在地址栏输入 “ 21/ ” 用户名：ca 密 码：ca （windlx教程下载） （DLX指令手册） （实验一 windlx软件下载） （实验二 源程序下载） 第二次实验：基于第二次实验：基于TEC-CA 实验系统实验系统 实验三：环境熟悉与基本实验三：环境熟悉与基本CPU设计设计 实验四：多级流水实验四：多级流水CPU设计设计 1. 1. 电源线的连

3、接电源线的连接实验台的电源插口在正后面，用电源线连接220V电源上。2. FPGA2. FPGA下载线的连接下载线的连接用Byterblaster下载线把PC机的并口和FPGA小板上的10芯JTAG口连接起来。3. 3. 通讯线两种的连接通讯线两种的连接（任选其一）1.串口通讯：将RS232串口线一端接教学机的正后方的串口，一端接PC机的串口。2.USBUSB通讯：通讯：将USB数据线一端接教学机的右边USB口，一端接PC机的USB口。使用使用USBUSB通信线时，将开关通信线时，将开关SW22SW22拨到朝上方向拨到朝上方向。注意：两种通讯方式受开关SW22SW22控制选择控制选择。4. 4

4、. 打开实验台电源。打开实验台电源。5. 5. 开启软件开启软件Quartus IIQuartus II。6. 6. 模式控制开关的选择模式控制开关的选择。TEC-CA支持3种基本调试模式：3种模式开关由REGSEL、CLKSEL和FDSEL设定，选用：单片机控制单片机控制FPGA-CPUFPGA-CPU调试运行模式（调试运行模式（101101）。实验前的准备实验前的准备授权文件授权文件License的安装的安装l查找C:altera90quartusbin文件夹下的 Quartus_II_9.0破解器.exe，直接在该文件夹下运行，破解C:altera90quartusbin下的sys_cp

5、t.dll和quartus.exe文件。l运行Quartus_II_9.0破解器.exe后,直接点击“应用补丁”。 如果出现“未找到该文件。搜索该文件吗？”，点击“是”。 如果把Quartus_II_9.0破解器.exe直接Copy到C:altera90quartusbin下，就不会出现这个对话框，而是直接开始破解，生成授权文件license.dat。l(2)选中生成授权文件license.dat，用记事本打开。默认的license.dat路径是在C:altera90quartusbin下。l(3) 把license.dat里所有的XXXXXXXXXXXX 用计算机网卡号替换，计算机网卡号可以

6、通过Quartus II 9.0的Tools菜单下选择License Setup，下面就有NIC ID。l(4) 在Quartus II 9.0的Tools菜单下选择License Setup，然后选择License file，最后点击OK。l注意：license文件存放的路径名称不能包含汉字和空格，空格可以用下划线代替。实验步骤实验步骤 FPGA-CPU的一般实验步骤的一般实验步骤1用用HDL编写设计方案，并将设计编译、连接、适配，形成编写设计方案，并将设计编译、连接、适配，形成sof形式的文件形式的文件。 在进行FPGA-CPU的实验之前，首先在EDA软件Quartus下用VHDL编写FP

7、GA-CPU，整个设计完成后进行编译、连接和适配工作。然后指定芯片引脚，重新进行编译、连接和适配工作，形成新的sof文件。2编写规则文件编写规则文件 规则文件是用户自己指定的汇编指令格式文件。由于在TEC-CA系统中指令集是用户自己定义的，因此需要用户自己编写规则文件。规则文件以行为单位，汇编器在初始化的时候会逐行解释规则文件，生成指令表和部分符号表。规则文件在文本编辑器下生成即可。3编写测试程序编写测试程序 做CPU设计实验，由于FPGA-CPU和实验平台上的存储器构成16位实验计算机，编写测试程序是必须的。测试程序用于检验FPGA-CPU设计的正确性。必须按照规则文件指定的格式编写测试文件

8、。 以上3个步骤是正式实验之前的准备工作（已经给出）。 实验步骤实验步骤 FPGA-CPU的一般实验步骤的一般实验步骤（续）续） 4将将PC机和机和TEC-CA连接连接将PC机和TEC-CA连接。一是将下载电缆的一头插到PC机的并行口上，将下载电缆的另一头插到TEC-CA子板上的下载插座(JTAG)上。二是将RS-232通信电缆的一头插在PC机的串行口上，将RS-232通信电缆的另一头插到TEC-CA实验箱背面的9针插座上；或者在使用USB口的情况下，将USB通信电缆一端接PC机的USB 口，另一端接实验台上的B型USB口。当SW22=1时，使用USB通信电缆；当SW22=0时，使用RS-23

9、2通信电缆。5打开打开TEC-CA实验系统的电源实验系统的电源打开电源后检查实验平台上的+5V指示灯是否点亮。如果指示灯点亮，表示电源系统正常。6选择实验的调试模式选择实验的调试模式按选定的调试模式设置好3个模式选择开关，将短路子DZ1DZ8按本实验要求的正确方式短接或者断开。 7按单片机复位按钮，使单片机处于初始状态按单片机复位按钮，使单片机处于初始状态8将将FPGA-CPU设计下载到设计下载到TEC-CA子板上的子板上的FPGA中中在PC机上启动EDA软件Quartus，将sof文件形式的FPGA-CPU设计下载到TEC-CA子板上的FPGA芯片中，构成一个物理上的FPGA-CPU。9将测

10、试程序装到存储器中将测试程序装到存储器中在PC机上启动Debugcontroller软件，将测试程序装到实验平台上的存储器中。10根据选择的调试模式调试程序根据选择的调试模式调试程序 实验内容实验内容 基于TEC-CA 实验系统 实验三 实验三：环境熟悉与基本实验三：环境熟悉与基本CPU设计设计 (1) 熟悉实验台运行环境与调试方法，掌握基本熟悉实验台运行环境与调试方法，掌握基本CPU的设计，为自行设的设计，为自行设计多级流水计多级流水CPU打好基础。打好基础。 (2) 掌握掌握HDL硬件描述语言，对硬件描述语言，对CPU的各个功能模块进行代码编写，并的各个功能模块进行代码编写，并学会将各个功

11、能部分组织连接成一个完整学会将各个功能部分组织连接成一个完整CPU体系结构，学会利用体系结构，学会利用Quartus对程序进行仿真和调试。并掌握对程序进行仿真和调试。并掌握FPGA-CPU在在“TEC-CA开放式开放式CPU实验教学系统实验教学系统”上的调试方法。上的调试方法。 (3) 学习设计一个包括指令系统、运算器、控制器和寄存器组等的完整学习设计一个包括指令系统、运算器、控制器和寄存器组等的完整的的CPU。设计的。设计的CPU具有复位功能，以便使用具有复位功能，以便使用TEC-CA实验台上的实验台上的“CPU复复位位”按钮对按钮对CPU复位，使复位，使CPU处于调试前的初始状态。处于调试

12、前的初始状态。 (4) 掌握调试软件掌握调试软件Debugcontroller的使用方法，学习编写指令系统的规的使用方法，学习编写指令系统的规则文件。则文件。 为了配合为了配合CPU的调试，需要学习软件的调试，需要学习软件Debugcontroller的使用，编写指的使用，编写指令系统的规则文件以及调试方法令系统的规则文件以及调试方法 。 见实验指导附录见实验指导附录B。实验内容实验内容 基于TEC-CA 实验系统 实验三 测试：测试：1Testl(EXlTXT)：8位位8位乘法运算位乘法运算 2Test2(EX2TXT)：内存读写测试：内存读写测试3Test3(EX3TXT)：冒泡排序：冒泡

13、排序思考：思考：1.简述基本简述基本CPU的结构，各部件如何设计实现？的结构，各部件如何设计实现？2.指令译码选用组合逻辑控制器与选用微程序控制器的区别？指令译码选用组合逻辑控制器与选用微程序控制器的区别？ 注意：注意： CPU下载一次后不必再下载，除非重启实验台下载一次后不必再下载，除非重启实验台! 每次执行新程序前要按实验台上的每次执行新程序前要按实验台上的CPU复位按钮，使复位按钮，使FPGA-CPU复复位，然后执行位，然后执行DebugReset命令，使命令，使Debugcontroller处于开始调试状处于开始调试状态。态。 实验内容实验内容 基于TEC-CA 实验系统 实验四 实验

14、四：多级流水实验四：多级流水CPU设计设计 (1) 设计一个包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器组、存储设计一个包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器组、存储系统、流水线结构等的系统、流水线结构等的CPU。设计的。设计的CPU必须具有复位功能，以便使用必须具有复位功能，以便使用TEC-CA实验台上的实验台上的“CPU复位复位”按钮对按钮对CPU复位，使复位，使CPU处于调试前处于调试前的初始状态。的初始状态。 (2) 掌握掌握HDL硬件描述语言，对硬件描述语言，对CPU的各个功能模块进行代码编写，的各个功能模块进行代码编写，并学会将各个功能部分组织连接成一个完整并学会将各个功能部分组织连

15、接成一个完整CPU体系结构。体系结构。 (3) 学会利用学会利用Quartus对程序进行仿真和调试。并掌握对程序进行仿真和调试。并掌握FPGA-CPU在在“TEC-CA开放式开放式CPU实验教学系统实验教学系统”上的调试方法。上的调试方法。 （4) 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能性能的影响。的影响。 实验内容实验内容 基于TEC-CA 实验系统 实验四 测试：测试：1Testl(EXlTXT)：8位位8位乘法运算位乘法运算 2Test2(EX2TXT)：内存读写测试：内存读写测试3Test3(EX3TXT)：求质数：求

16、质数 思考：思考：1并简述多级流水并简述多级流水CPU设计思想，你有何看法？设计思想，你有何看法？2. 该流水线相关专用通路处理策略是怎样？如何实现的？该流水线相关专用通路处理策略是怎样？如何实现的？3. ALU输入多路选择器，选通条件是什么？输入多路选择器，选通条件是什么？4. 给出该给出该CPU的管脚功能定义。的管脚功能定义。注意：注意： CPU下载一次后不必再下载，除非重启实验台下载一次后不必再下载，除非重启实验台! 每次执行新程序前要按实验台上的每次执行新程序前要按实验台上的CPU复位按钮，使复位按钮，使FPGA-CPU复复位，然后执行位，然后执行DebugReset命令，使命令，使Debugcontroller处于开始调试状处于开始调试状态。态。 实验内容实验内容 基于TEC-CA 实验系统 注意：注意： CPU下载一次后不必再下载，除非重启实验台下载一次后不必再下载，除非重启实验台! 每次执行新程序前要按实验台上的每次执行新程序前要按实验台上的CPU复位按钮，使复位按钮，