系统硬件综合设计

1、冬肥N至大至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：至学号：1234567890专业班级：计算机2017年07月01日I.pcf部分always(posedgeClk)beginPCPlus4F_Reg=PCPlus4F;if(BranchM&ZeroM)PCF=PCBranchM;elsePCF=PCPlus4F;InstructionF_Reg=InstructionF;if(InstructionF31:26=6'b000010)beginPCF=6'h0,InstructionF25:0;PCF=PCF<<2;endEndassignP

2、CPlus4F=PCF+4;assignImemRdAddrF=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In

3、structionMemory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PCFS输出改成两个，PCFout及PCFnext,PCFout作为InstructionMemory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 .InstructionMemory模块initialbegin$readmemh("instruction",InstMem,8'h0);endalways(ImemRdAddr)beginInstruction<=I

4、nstMemImemRdAddr>>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/addiu6'b001001:beginRegDstD=1;ALUSrcD=1;MemtoRegD=0;RegWriteD=1;MemWriteD=0;BranchD=0;ALUOp=2'b10;end/addiendcaseendalways(ALUOporFunct)begin

5、casex(OpCode,ALUOp,Funct)14'b10001100xxxxxx:ALUControlD=5'b00010;/LW:add14'b00010001xxxxxx:ALUControlD=5'b00110;/SW:substractbeqendcaseendendmoduleControl模块主要对来自InstructionMemory模块的指令进行分解，得到OpCode侑令高六位),Funct(指令低六位)，在通过分析OpCode导至URegDstD,ALUSrcD,MemtoRegDRegWriteD,BranchD,ALUO隧六个信号量，

6、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,32'h0);end/writeonfallingclockedgealways(posedgeClk)beginif(RegWrite=1'b1)regFileRegWrAddr<=RegWrData;endassignRegARdData=(RegARdAddr>=0)?regFileRegAR

7、dAddr:0;assignRegBRdData=(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assignRegARdAddr=InstructionD25:21;assignRegBRdAddr=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assignZero=(ALURes=0)?1:0;/ALURes0跳转always(SrcAorSrc

8、BorALUCtr)beginOverFlow=0;TmpForSrcB=0;HI=0;LO=0;A=0;B=0;case(ALUCtr)5'b10011:beginTmpForSrcB=SrcB;TmpForSrcB31=(TmpForSrcB31+1)%2;ALURes=SrcA+TmpForSrcB;if(SrcA31!=TmpForSrcB31)|(SrcA31=TmpForSrcB31&&ALURes31=SrcA31)beginOverFlow=1'b0;endelseif(SrcA31=TmpForSrcB31&&ALURes31!

9、=SrcA31)beginOverFlow=1'b1;enddefault:ALURes=32'h0;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ALURest艮据信号量MemToRe本判断是否写入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 .DataMemory模块initialbegin$readmemh("Data",

10、DataMem,10'h0);endalways(posedgeClk)beginif(DmemWrite=1'b1)DataMemDmemAddr>>2<=DmemWrData;endassignDmemRdData=(DmemWrite=1'b0)?DataMemDmemAddr>>2:0;endmodule本模块通过从Ctr模块得来白信号量DmemWrite选择进行读写操作，读写皆操作于所建立的Data文档，另外DmemAdd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

11、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：CtrCtr(.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.RegWriteD(RegWriteForCtrD),.MemtoRegD(MemtoRegD),.MemWriteD(MemWriteD),.Bra

12、nchD(BranchD),.ALUControlD(ALUControlD),.ALUSrcD(ALUSrcD),.RegDstD(RegDstD);assignOpCode=InstructionD31:26;assignFunct=InstructionD5:0;assignRegWrDataD=(MemtoRegW)?ReadDataW:ALUOutW;always(posedgeClk)beginMemtoRegD_Reg=MemtoRegD;MemWriteD_Reg=MemWriteD;BranchD_Reg=BranchD;ALUControlD_Reg=ALUControlD

13、;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MemToReg悚选择ReadDataW或ALUOutW输出信号量MemtoRegDMemWriteD,BranchD,ALUControlD,ALUSrcD,RegDstD作为Reg模块的输入。二、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，Op

14、Code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：2b1110中prsrtrdsnfunsR奘型6位&立f位St75便60：JI1625212016ISopnrt|1关期.用：£5位5/ItjR312b25UopaddreMJ交不&026kR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。

15、34条指令：32'b1010110000100100000000000000010ALURes=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；32'b00000000001000100001100000100000TmpForSrcB=SrcB;TmpForSrcB31=(TmpForSrcB31+1)%2;ALURes=SrcA+TmpForSrcB;if(SrcA31!=TmpForSrcB31)|(SrcA31=TmpForSrcB31&

16、&ALURes31=SrcA31)beginOverFlow=1'b0;endelseif(SrcA31=TmpForSrcB31&&ALURes31!=SrcA31)beginOverFlow=1'b1;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；32'b00010100001000100000000000000010ALURes=(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000000

17、00000000010,否则执行下一条指令；32'b00010000001000100000000000000010ALURes=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；32'b00000100001000000000000000000010ALURes=(SrcA>=0)?0:1;0,则当前指令地址加Bgez指令，实现00001号寄存器的值与0比较，若大于等于00000000000000010,否则执行下一条指令；32'b000111

18、00001000000000000000000010ALURes=(SrcA>0)?0:1;0比较，若大于0,则当前指令地址加0比较，若小于等于0,则当前指令地址加0比较，若小于0,则当前指令地址加Bgtz指令，实现00001号寄存器的值与00000000000000010,否则执行下一条指令；32'b00011000001000000000000000000010ALURes=(SrcA<=0)?0:1;Blez指令，实现00001号寄存器的值与00000000000000010,否则执行下一条指令；32'b0100010000100000000000000000

19、0010ALURes=(SrcA<0)?0:1;Bltz指令，实现00001号寄存器的值与00000000000000010,否则执行下一条指令；32'b10001100001000100001100000100001ALURes=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；32'b10001100001000100001100000100011ALURes=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

20、果放到00003号寄存器中；32'b00000000001000100001100000100100ALURes=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；32'b00000000001000100001100000100101ALURes=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;32'b00000000001000100001100000101010ALURes=SrcA<SrcB

21、?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;32'b00000000001000100001100000101010ALURes=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;32'b00000000001000100001100000011010ALURes=SrcA/SrcB;LO=SrcA/SrcB;HI=SrcA%SrcB;div指令，有符号

22、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；32'b00000000001000100001100000011000A=SrcA31:31?32'hffffffff,SrcA:32'h00000000,SrcA;B=SrcB31:31?32'hffffffff,SrcB:32'h00000000,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，

23、结果放到00003号寄存器中；32'b00000000001000100001100000000100ALURes=(SrcB<<SrcA);sllv指令，逻辑可变左移指令，实现将00001号寄存器的值左移00002号寄存器的值位，结果放到00003号寄存器中；32'b00000000001000100001100000000100ALURes=(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；32'b0000000000100010000110000

24、0100110ALURes=(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；32'b00000000001000100001100000100110ALURes=(SrcAASrcB);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；32'b00100100001000100001100000000000ALURes=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

25、号加法，结果放到00003号寄存器中；32'b00110000001000100001100000000000ALURes=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；32'b00110100001000100001100000000000ALURes=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；32'b00110100001000100001100000000000ALURes=SrcA<S

26、rcB?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;32'b00111000001000100001100000000000ALURes=(SrcAaSrcB);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；32'b00101100001000100001100000000000ALURes=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Sr

27、cA<SrcB,则置1,否则置0;32'b00000000001000100001100001000000ALURes=(SrcB<<SrcA);sll指令，逻辑左移指令，实现将00001号寄存器的值左移sa位，结果存入00002号寄存器；32'b00000000001000100001100001000010ALURes=(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；32'b00000000001000100001100001000111j=SrcB31:31;Tm

28、pForSrcB=SrcB;TmpForSrcA=SrcA;/*for(i=0;i<TmpForSrcA;i=i+1)beginALURes=j,31'h0|(ALURes>>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；32'b00000000001000100001100001000011j=SrcB31:31;TmpForSrcB=SrcB;TmpForSrcA=SrcA;TmpForSrcB=TmpForSrcB>>SrcA;if(j)beginALURes=(TmpForSr

29、cB31:31),TmpForSrcB30:0;endelsebeginALURes=TmpForSrcB;endsra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；32'b00000000001000100001100000100010ALURes=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；32'b00100000001000100001100000000000ALURes=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；32'b00000000001000100001100000011000ALURes=SrcA/SrcB;mulu指令，无符号乘法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号乘法，结果放到00003号寄存器中；