计算机组成原理---实验报告_计算机组成原理实验报告

单周期CPU设计实验

一、设计目标

1、融合贯通本课程各章节的内容，综合运用所学，以CPU为核心，理解CPU的各个功能模块的工作原理。

2、学习和掌握硬件设计和调试基本方法，掌握FPGA开发的一般流程和工具，培养硬件系统观和系统设计能力。

二、设计目的

参考MIPS指令系统，设计一台能实现20条MIPS指令的简易计算机，包括运算器，存储器，数据通路，控制器，以及显示模块。

三、设计方法

1.ALU

alu算术逻辑单元要实现ADD(加)、SUB(减)、AND(寄存器与)、OR(寄存器或)、X0R(异或)、SLL(左移)、SRL(逻辑右移)、SRA(算术右移)、LUI(立即数左移)等计算功能，具体执行什么运算由4位aluc决定。

函数原型：module alu (a,b,aluc,r,z);

a： 源操作数1 32位

b： 源操作数2 32位

aluc： 操作控制码 4位

r： 目的操作数 32位

z： 零标志位 1位

ALU使用到的模块：

1） addsub32模块:32位加减运算模块利用并行进位加法器（cla32模块）

2） shift模块：实现移位

3） mux4x32：32位四选一选择器

2.寄存器堆设计

功能描述：

1、给alu提供运算需要的数据。

2、将alu运算产生的数据保存在寄存器中。

原理设计：

用5位地址编码32个寄存器的地址。每个寄存器都是32位，每个寄存器都有写使能端信号。

函数原型：

module regfile (rna,rnb,d,wn,we,clk,clrn,qa,qb);

​ rna： 读寄存器地址1 5位

​ rnb： 读寄存器地址2 5位

​ d： 写数据 32位

​ wn： 写地址 5位

​ qa： 读出操作数1 32位

​ qb： 读出操作数2 32位

​ we： 使能端 1位

​ ckl： 时钟 1位

​ clrn：复位 1位

3.控制器设计

控制器作用：

通过读取指令的op和func来确定指令执行的操作类型，转换成各种指令信号。来控制各个部件运作。

控制器指令译码对应表：

控制器输出控制信号对照表：

下图为控制信号组合对应指令的真值表：

函数实现：module sccu_dataflow

(op,func,z,wmem,wreg,regrt,m2reg,aluc,shift,aluimm,pcsource,ja1,sext);

​ op： 指令高6位

​ func： 指令低6位

​ z： 零标志位

4.存储器设计

存储器分为两部分：

1.用来存储指令的储存器

scinstmem (a,inst);

(1)作用：把要执行的指令放在一个具体的文件中，可以保证指令自动寻址可 以找到。

(2)设计原理：在文件中设计n个寄存器，每个寄存器里面存放一条指令。系统在执行的时候会按照既定的寻址方式，寻找对应的寄存器，然后将其值取出作为指令运行；

2.用来储存数据的存储器

scdatamem (clk,dataout,datain,addr,we,inclk,outclk);

作用:储存放在储存器上的数据，通过地址可以找到对应的数据，也可以通过地址和数据的方式来把一个数据保存在储存器上。

四、 设计结果

1.打开工程文件

2.调试使用signaltap,工程中的stp1.stp也是可以直接使用的。双击打开stp1.stp，完全编译

3.编译完成后下载sof文件到开发板。之后按开始调试按钮；然后KEY[0]键即可抓取信号。

Scinstmem.v文件中的指令执行后采集到的信号如下图：

五、分析讨论

这次实验让我加深了对单周期CPU的理解，之前由于疫情的原因我们只能在网上进行理论知识的授课，从而到学校了才能补实验课，时间过长对于上学期所学知识有点遗忘了，借助这几天的实验再次重拾有关CPU设计的知识，包括ALU、数据通路、寄存器、存储器等等，也让我们回顾了之前数字逻辑课程上所学的关于门电路以及Verilog语言的知识，是一次很好的综合性实验和锻炼。

当然，在这之间我们也遇到了很多问题，比如由于命名错误或者步骤错误导致最后编译运行的时候出错，同样也告诉我们，在上实验课之前，应事先做好预习，明白这节课的实验任务，以及要用到上课老师所讲到的哪些理论知识，这样就能更加熟悉并快速地掌握每次实验。

当然，在这之间我们也遇到了很多问题，比如由于命名错误或者步骤错误导致最后编译运行的时候出错，同样也告诉我们，在上实验课之前，应事先做好预习，明白这节课的实验任务，以及要用到上课老师所讲到的哪些理论知识，这样就能更加熟悉并快速地掌握每次实验。

最后，感谢高老师对我们一学期的指导与付出，没有高老师的指导我们也不能这么顺利地完成本次实验，同时我们也会谨记高老师的教诲，把计算机组成原理的知识运用到我们之后的专业课之中，做到整个计算机知识体系的融会贯通。