计算机组成原理实验报告-单周期CPU的设计与实现

标 准 实 验 报 告

（实验）课程名称：  计算机组成原理实验  

电子科技大学教务处制表

电 子 科 技 大 学

实   验   报   告

学生姓名： 郫县尼克杨   学 号： 2014   指导教师：陈虹

实验地点： 主楼A2-411         实验时间：12周-15周

一、实验室名称：

主楼A2-411

二、实验项目名称：

单周期CPU的设计与实现。

三、实验学时：

8学时

四、实验原理：

（一）概述

单周期（Single Cycle）CPU是指CPU从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。

一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。对于单周期CPU来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。

（二）单周期cpu总体电路

本实验所设计的单周期CPU的总体电路结构如下。

（三）MIPS指令格式化

MIPS指令系统结构有MIPS-32和MIPS-两种。本实验的MIPS指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS指令均指MIPS-32。

MIPS的指令格式为32位。下图给出MIPS指令的3种格式。

本实验只选取了9条典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS指令。

五、实验目的

1、掌握单周期CPU的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、运算器等。?

2、认识和掌握指令与CPU的关系、指令的执行过程。?

3、熟练使用硬件描述语言Verilog、EDA工具软件进行软件设计与仿真，以培养学生的分析和设计CPU的能力。

六、实验内容

（一）拟定本实验的指令系统，指令应包含R型指令、I型指令和J型指令，指令数为9条。

（二）CPU各功能模块的设计与实现。

（三）对设计的各个模块的仿真测试。

（四）整个CPU的封装与测试。

七、实验器材（设备、元器件）：

（一）安装了Xilinx ISE Design Suite 的PC机一台

（二）FPGA开发板：Anvyl Spartan6/XC6SLX45

（三）计算机与FPGA开发板通过JTAG（Joint Test Action Group）接口连接，其连接方式如图所示。

八、实验步骤

一个CPU主要由ALU（运算器）、控制器、寄存器堆、取指部件及其它基本功能部件等构成。?

在本实验中基本功能部件主要有：32位2选1多路选择器、5位2选1多路选择器、32位寄存器堆、ALU等。

（一）新建工程（New Project）

启动ISE Design Suite 软件，然后选择菜单File→New Project，弹出New Project Wizard对话框，在对话框中输入工程名CPU，并指定工作路径D:\\Single_Cycle_CPU。

（二）基本功能器件的设计与实现

（1）多路选择器的设计与实现

位2选1多路选择器（MUX5_2_1）的设计与实现

在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：MUX5_2_1，然后输入其实现代码：

module MUX5_2_1(

    input [4:0] A,

    input [4:0] B,

    input Sel,

    output [4:0] O

    );

    assign O = Sel ? B : A;

endmodule

在ISE集成开发环境中，对模块MUX5_2_1进行综合（Synthesize），综合结果如图所示：

在ISE集成开发环境中，对模块MUX5_2_1进行仿真（Simulation）。输入如下测式代码： 

module MUX5_2_1_T;

    (A), 

        .B(B), 

        .sel(sel), 

        .C(C)

    );

    initial begin

        (A), 

        .B(B), 

        .sel(sel), 

        .O(O)

    );

    initial begin

        A=0;

        B=0;

        sel=0;

        (d), 

        .o(o)

    );

    initial begin

        n1(Rn1), 

        .Rn2(Rn2), 

        .Wn(Wn), 

        .Write(Write), 

        .Wd(Wd), 

        .A(A), 

        .B(B), 

        .Clock(Clock)

    );

    initial begin

        (A), 

        .B(B), 

        .ALU_operation(ALU_operation), 

        .Result(Result), 

        .Zero(Zero)

    );

    initial begin

        p(op), 

        .RegDst(RegDst), 

        .RegWrite(RegWrite), 

        .ALUSrc(ALUSrc), 

        .MemWrite(MemWrite), 

        .MemRead(MemRead), 

        .MemtoReg(MemtoReg), 

        .Branch(Branch), 

        .ALUctr(ALUctr)

    );

    initial begin

        (A), 

        .B(B), 

        .ALU_operation(ALU_operation), 

        .Result(Result), 

        .Zero(Zero)

    );

    initial begin

        p(op), 

        .func(func), 

        .RegDst(RegDst), 

        .RegWrite(RegWrite), 

        .ALUSrc(ALUSrc), 

        .MemWrite(MemWrite), 

        .MemRead(MemRead), 

        .MemtoReg(MemtoReg), 

        .Branch(Branch), 

        .ALU_op(ALU_op)

    );

    initial begin

        lock(clock), 

        .reset(reset), 

        .b_addr(b_addr), 

        .B(B), 

        .Z(Z), 

        .inst(inst), 

        .o_addr(o_addr), 

        .o_sum(o_sum), 

        .o_sum1(o_sum1)

    );

    initial begin

        eset(Reset), 

        .Clock(Clock), 

        .Inst(Inst), 

        .Data(Data), 

        .MemWrite(MemWrite), 

        .MemRead(MemRead), 

        .Result(Result), 

        .B_data(B_data), 

        .NextPC(NextPC)

    );

    initial begin

        ddress(address), 

        .inst(inst)

    );

    initial begin

        lock(Clock), 

        .Reset(Reset), 

        .Inst(Inst), 

        .Pc(Pc), 

        .Aluout(Aluout), 

        .B_data(B_data)

    );

    initial begin

        // Initialize Inputs

        Clock = 0;

        Reset = 0;

        // Wait 100 ns for global reset to finish        

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

        #100;

      Clock = ~Clock;

        Reset = 1;

    end

endmodule

然后进行仿真，仿真结果如图:

    在该转移的地方进行了转移，成功。

九、实验数据及结果分析：

在一个时钟周期内所设计的CPU能够完成一条指令的执行，指令执行结果与预期的结果是一致的。通过仿真可以看到最终顺利实现了每个模块的功能，成功解决了之前出错的PC转移问题，整个CPU按照设计好的指令运行。

十、实验结论：

单周期CPU在一个时钟周期完成指令的所有执行步骤，简化了CPU的设计，但是这样没有考虑不同部件完成时间上的差异，所以导致CPU各部件的利用率不高，采用多周期流水线CPU可以提高利用率，但是难度也会增大许多。

十一、总结及心得体会：

我本身对这次实验很兴趣，指导教师陈老师也非常和蔼耐心地指导，所以比较顺利地完成了整个实验。

本次实验完全是完成，没有任何抄袭，包括实验报告的编写，每一段代码都是自己写出来的，每一张图片也都是自己截的图，虽然整个过程花的时间比较多，但确实收获很多，很开心，也希望能得到一个好的成绩。

本次实验让我切实感受到了仿真的好处，计算机仿真在实际生产中的作用，也很好地锻炼了自己的逻辑思维能力，对课堂第四章第五章的内容有了更为深刻的理解。

要合理地将本次实验中“把庞大的部件分割为许多小部件，逐一解决” 的方法运用到对其它问题的解决中。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

    建议增加2个实验学时，同时将要实现的指令增加为十一条，增加运算器溢出信号Overflow、判断溢出的加法运算，以及J型指令的设计与实现，从而进一步锻炼自己。

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