实验四多周期CPU与存储器实验.doc
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1、课程名称计算机原理与设计实验名称_多周期CPU与存储器实验一、实验目的 1、深入理解MIPSCPU指令系统的功能和工作原理;2、掌握多周期CPU的工作原理和逻辑功能实现;3、熟练掌握用Verilog HDL语言设计多周期存储器的方法;4、熟练掌握对多周期存储器的仿真实验验证和硬件测试两种调试方法;5、通过对多周期CPU的运行情况进展观察和分析,进一步加深理解。二、实验要求 1、深入理解MIPSCPU指令系统的功能和工作原理;2、掌握多周期CPU的工作原理和逻辑功能实现;3、熟练掌握用Verilog HDL语言设计多周期存储器的方法;三、实验原理 实现上述原理框图根据功能将其分划分为控制单元(c
2、unit)、执行单元(eunit)、指令单元(iunit)以及存储单元(munit)四大模块。 1.控制单元(cunit)是多周期微处理器的核心控制微处理器取指令、指令译码和指令执行等工作。主要由指令译码器控制器(outputs control)、算术逻辑运算控制器(ALU control)两个子模块组成。 2.执行单元(eunit)主要由存放器堆(registers)和算术逻辑单元(ALU)两个子模块组成。其中存放器是微处理器最根本的元素MIPS系统的存放器堆由32个32位存放器组成而ALU则是微处理器的主要功能部件执行加、减、比较等算术运算和与、或、或非、异或等逻辑运算。指令单元(iuni
3、t)的作用是决定下一条指令的地址PC值。 3.存储单元(munit)由存储器(memory)、指令存放器(instruction register)和存储数据存放器(memory data register)组成。四、实验容 1、设计一个32位MIPS多周期CPU具体的要求如下: 至少运行以下的6类32条MIPS指令。 1算术逻辑指令and、sub、addi 2逻辑运算指令and、0r、*or、 andi、 ori、*ori3位移指令sll、srl、sra4条件分支指令beq、bne、5无条件跳转指令j、jr 6数据传送指令lw、sw2.设计一个存储器五、实验环境与设备 电脑,电箱。六、实验代
4、码设计含符号说明 存放器元件代码:module regfile (rna,rnb,d,wn,we,clk,clrn,qa,qb);input4:0rna,rnb,wn;input31:0d;inputwe,clk,clrn;output31:0qa,qb;reg31:0register1:31;/r1-r31assign qa = (rna = 0) 0 : registerrna;/readassign qb = (rnb = 0) 0 : registerrnb;/readalways (posedge clk or negedge clrn) beginif (clrn = 0) beg
5、in/resetinteger i;for (i=1; i32; i=i+1)registeri = 0;endelse beginif (wn != 0) & (we = 1)/writeregisterwn = d;endendendmodule32位四选一选择器:module mu*4*32 (a0,a1,a2,a3,s,y);input 31:0a0,a1,a2,a3;input1:0s;output31:0y;function31:0select;input 31:0a0,a1,a2,a3;input 1:0s;case (s)2b00:select=a0;2b01:select=a
6、1;2b10:select=a2;2b11:select=a3;endcaseendfunctionassigny=select (a0,a1,a2,a3,s);endmodule5位二选一选择器:module mu*2*5 (a0,a1,s,y);input 4:0a0,a1;inputs;output4:0y;assigny = s a1 : a0;endmodule32位二选一选择器:module mu*2*32 (a0,a1,s,y);input 31:0a0,a1;inputs;output31:0y;assigny = s a1 : a0;endmodule存储器元件:module
7、 mcmem (clk, dataout, datain, addr, we, inclk, outclk);input31:0 datain;input31:0 addr;inputclk, we, inclk, outclk;output31:0dataout;wirewrite_enable = we & clk;lpm_ram_dqram (.data(datain),.address(addr7:2),.we(write_enable),.inclock(inclk),.outclock(outclk),.q(dataout);defparamram.lpm_width=32;def
8、param ram.lpm_widthad=6;defparamram.lpm_indata=registered;defparamram.lpm_outdata=registered;defparamram.lpm_file=mcmem.mif;defparamram.lpm_address_control=registered;endmodule控制部件:module mccu (op, func, z, clock, resetn, wpc, wir, wmem, wreg, iord, regrt, m2reg, aluc, shift, alusrca, alusrcb, pcsou
9、rce, jal, se*t, state);input5:0op, func;inputz, clock, resetn;output regwpc, wir, wmem, wreg, iord, regrt, m2reg;output reg3:0aluc;output reg1:0alusrcb, pcsource;output regshift, alusrca, jal, se*t;output reg2:0state;reg2:0ne*t_state;parameter2:0sif=3b000,/ IF statesid=3b001,/ ID statese*e=3b010,/ E
10、*E statesmem=3b011,/ MEM stateswb=3b100;/ WB statewire r_type,i_add,i_sub,i_and,i_or,i_*or,i_sll,i_srl,i_sra,i_jr;wire i_addi,i_andi,i_ori,i_*ori,i_lw,i_sw,i_beq,i_bne,i_lui,i_j,i_jal;and(r_type,op5,op4,op3,op2,op1,op0);and(i_add,r_type, func5,func4,func3,func2,func1,func0);and(i_sub,r_type, func5,f
11、unc4,func3,func2, func1,func0);and(i_and,r_type, func5,func4,func3, func2,func1,func0);and(i_or, r_type, func5,func4,func3, func2,func1, func0);and(i_*or,r_type, func5,func4,func3, func2, func1,func0);and(i_sll,r_type,func5,func4,func3,func2,func1,func0);and(i_srl,r_type,func5,func4,func3,func2, fun
12、c1,func0);and(i_sra,r_type,func5,func4,func3,func2, func1, func0);and(i_jr, r_type,func5,func4, func3,func2,func1,func0);and(i_addi,op5,op4, op3,op2,op1,op0);and(i_andi,op5,op4, op3, op2,op1,op0);and(i_ori, op5,op4, op3, op2,op1, op0);and(i_*ori,op5,op4, op3, op2, op1,op0);and(i_lw, op5,op4,op3,op2,
13、 op1, op0);and(i_sw, op5,op4, op3,op2, op1, op0);and(i_beq, op5,op4,op3, op2,op1, op0);and(i_bne, op5,op4,op3, op2,op1, op0);and(i_lui, op5,op4, op3, op2, op1, op0);and(i_j, op5,op4,op3,op2, op1,op0);and(i_jal, op5,op4,op3,op2, op1, op0);wire i_shift;or (i_shift,i_sll,i_srl,i_sra);always * begin/ co
14、ntrol signals dfault outputs:wpc=0;/do not write pcwir=0;/do not write irwmem=0;/ do not write memorywreg=0;/ do not write register fileiord=0;/ select pc as memory addressaluc=4b*000;/ ALU operation: addalusrca=0;/ ALU input a: reg a or saalusrcb=2h0;/ ALU input b: reg bregrt=0;/ reg dest no: rdm2r
15、eg=0;/ select reg cshift=0;/ select reg apcsource=2h0;/ select alu outputjal=0;/ not a jalse*t=1;/ sign e*tendcase (state)/- IF:sif: begin/ IF statewpc=1;/ write pcwir=1;/ write IRalusrca=1;/ PCalusrcb=2h1;/ 4ne*t_state=sid;/ ne*t state: IDend/- ID:sid: begin/ ID stateif (i_j) begin/ j instructionpc
16、source=2h3;/ jump addresswpc=1;/ write PCne*t_state=sif;/ ne*t state: IFendelse if (i_jal) begin/ jal instructionpcsource=2h3;/ jump addresswpc=1;/ write PCjal=1;/ reg no = 31wreg=1;/ save PC+4ne*t_state=sif;/ ne*t state: IFendelse if (i_jr) begin/ jr instructionpcsource=2h2;/ jump registerwpc=1;/ w
17、rite PCne*t_state=sif;/ ne*t state: IFendelse begin/ other instructionaluc=4b*000;/ addalusrca=1;/ PCalusrcb=2h3;/ branch offsetne*t_state=se*e;/ ne*t state: E*Eendend/- E*E:se*e: begin/ E*E statealuc3=i_sra;aluc2=i_sub | i_or | i_srl | i_sra | i_ori | i_lui ;aluc1=i_*or | i_sll | i_srl | i_sra | i_
18、*ori | i_beq | i_bne | i_lui ;aluc0=i_and | i_or | i_sll | i_srl | i_sra | i_andi | i_ori ;if (i_beq | i_bne) begin/ beq or bne instructionpcsource=2h1;/ branch addresswpc=i_beq & z | i_bne & z;/ write PCne*t_state=sif;/ ne*t state: IFendelse begin/ other instructionif(i_lw | i_sw) begin/ lw or sw i
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- 实验 周期 CPU 存储器
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