系统硬件综合设计.docx
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系统硬件综合设计
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：
李
学号：
1234567890
专业班级：
计算机
2017年07月01日
1.pcf部分
always@（posedgeClk）
begin
PCPlus4F_Reg=PCPlus4F;
if（BranchM&ZeroM）PCF=PCBranchM;
elsePCF=PCPlus4F;
InstructionF_Reg=InstructionF;
if（InstructionF[31:
26]==6'b000010）
begin
PCF={6'h0,InstructionF[25:
0]};
PCF=PCF<<2;
end
End
assignPCPlus4F=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InstructionMemory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PCF的输出改成两个，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）;
end
always@（ImemRdAddr）begin
Instruction<=InstMem[ImemRdAddr>>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:
begin
RegDstD=1;
ALUSrcD=1;
MemtoRegD=0;
RegWriteD=1;
MemWriteD=0;
BranchD=0;
ALUOp=2'b10;end//addi
endcase
end
always@（ALUOporFunct）
begincasex（{OpCode,ALUOp,Funct}）
14'b10001100xxxxxx:
ALUControlD=5'b00010;//LW:
add
14'b00010001xxxxxx:
ALUControlD=5'b00110;//SW:
substractbeq
endcaseendendmodule
Control模块主要对来自InstructionMemory模块的指令进行分解，得到OpCode（指令高六位），Funct（指令低六位），在通过分析OpCode得到RegDstD，ALUSrcD，MemtoRegD，RegWriteD，BranchD，ALUOp这六个信号量，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
initial
begin
$readmemh（"register",regFile,32'h0）;
end
//writeonfallingclockedge
always@（posedgeClk）
begin
if（RegWrite==1'b1）
regFile[RegWrAddr]<=RegWrData;
end
assignRegARdData=（RegARdAddr>=0）?
regFile[RegARdAddr]:
0;
assignRegBRdData=（RegBRdAddr>=0）?
regFile[RegBRdAddr]:
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=InstructionD[25:
21];
assignRegBRdAddr=InstructionD[20:
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@（SrcAorSrcBorALUCtr）
begin
OverFlow=0;
TmpForSrcB=0;
HI=0;
LO=0;
A=0;
B=0;
case（ALUCtr）
5'b10011:
begin
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcB[31]=（TmpForSrcB[31]+1）%2;
ALURes=SrcA+TmpForSrcB;
if（（SrcA[31]!
=TmpForSrcB[31]）||（SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&
ALURes[31]==SrcA[31]））
begin
OverFlow=1'b0;end
else
if（SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&ALURes[31]!
=SrcA[31]）begin
OverFlow=1'b1;
end
default:
ALURes=32'h0;
endcase
end
ALU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ALURes根据信号量MemToReg来判断是否写入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
initial
begin
$readmemh（"Data",DataMem,10'h0）;
end
always@（posedgeClk）
begin
if（DmemWrite==1'b1）
DataMem[DmemAddr>>2]<=DmemWrData;
end
assignDmemRdData=（DmemWrite==1'b0）?
DataMem[DmemAddr>>2]:
0;
endmodule
本模块通过从Ctr模块得来的信号量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r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）,
.BranchD（BranchD）,
.ALUControlD（ALUControlD）,
.ALUSrcD（ALUSrcD）,
.RegDstD（RegDstD）
）;
assignOpCode=InstructionD[31:
26];
assignFunct=InstructionD[5:
0];
assignRegWrDataD=（MemtoRegW）?
ReadDataW:
ALUOutW;
always@（posedgeClk）
begin
MemtoRegD_Reg=MemtoRegD;
MemWriteD_Reg=MemWriteD;
BranchD_Reg=BranchD;
ALUControlD_Reg=ALUControlD;
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MemToRegW来选择ReadDataW或ALUOutW，
输出信号量MemtoRegD，MemWriteD，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，OpCode
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：
R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。
34条指令：
32'b1010110000100100000000000000010
ALURes=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;
TmpForSrcB[31]=（TmpForSrcB[31]+1）%2;
ALURes=SrcA+TmpForSrcB;
if（（SrcA[31]!
=TmpForSrcB[31]）||（SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&
ALURes[31]==SrcA[31]））
begin
OverFlow=1'b0;
end
else
if（SrcA[31]==TmpForSrcB[31]&&ALURes[31]!
=SrcA[31]）begin
OverFlow=1'b1;
end
Add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'b00010000001000100000000000000010
ALURes=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；
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，结果放到00003号寄存器中；32'b00000000001000100001100000100100
ALURes=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'b00000000001000100001100000100101
ALURes=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'b00000000001000100001100000101010
ALURes=SrcA1:
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SrcA1:
0;
00002号寄存器的值进行无符号比较，
sltu指令，无符号比较操作，实现将00001号寄存器和若SrcAALURes=SrcA/SrcB;
LO=SrcA/SrcB;
HI=SrcA%SrcB;
div指令，有符号除法指令，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'b00000000001000100001100000011000
A=SrcA[31:
31]?
{32'hffffffff,SrcA}:
{32'h00000000,SrcA};
B=SrcB[31:
31]?
{32'hffffffff,SrcB}:
{32'h00000000,SrcB};
Temp=A*B;
ALURes=Temp[31:
0];
HI=Temp[63:
32];
LO=Temp[31:
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，结果放到00003号寄存器中；32'b00000000001000100001100000000100
ALURes=（SrcB<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'b00000000001000100001100000000100
ALURes=（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'b00000000001000100001100000100110
ALURes=（SrcA^SrcB）;
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'b00100100001000100001100000000000
ALURes=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号加法，结果放到00003号寄存器中；32'b00110000001000100001100000000000
ALURes=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'b00110100001000100001100000000000
ALURes=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=SrcA1:
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SrcAALURes=（SrcA^SrcB）;
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'b00101100001000100001100000000000
ALURes=SrcA1:
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SrcAsll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；
j=SrcB[31:
31];
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcA=SrcA;
/*
for（i=0;iALURes={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'b00000000001000100001100001000011
j=SrcB[31:
31];
TmpForSrcB=SrcB;
TmpForSrcA=SrcA;
TmpForSrcB=TmpForSrcB>>SrcA;
if（j）
begin
ALURes={~（TmpForSrcB[31:
31]）,TmpForSrcB[30:
0]};
end
else
begin
ALURes=TmpForSrcB;
end
sra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'b00000000001000100001100000100010
ALURes=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'b00100000001000100001100000000000
ALURes=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'b00000000001000100001100000011000
ALURes=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；
32'b00000000001000100001100000011000
ALURes=SrcA/SrcB;
divu指令，无符号除法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号除法，
结果放到00003号寄存器中；32'b00001000000000000000000000000003
PCF={6'h0,InstructionF[25:
0]};
PCF=PCF<<2;
Jump指令，跳转指令，实现跳转到立即数的指令地址，执行程序。
三、实验结果截图及分析
如图所示进行了三条指令，我仅以此三条指令的结果进行分析：
1.32'h00221820
OpCode=000000,Funct=100000,为有符号加法运算，从00001号寄存器取出第一个操作数00000002，第二个寄存器取出第二个数00000003，相加得到ALUResE=00000005；2.32'h08000003
OpCode=000010,为跳转指令，立即数为00000003，故跳转到第三条指令执行，PCF=0000000c；
3.32'hac240001
OpCode=101011,为分支指令，立即数为0001，故PCF=PCF+4;
四、实验感想
本次试验，我经历了历时13天的cpu设计，从刚开始的一无所知，只是拿到了五个基础实验和《自己动手写cpu》，到最后做出来，过程之艰辛无法言说，记忆深刻的地方是在写模块连接时，我按照书上的连接方法写模块连接，总是会报错，卡了将近一天时间，后来问老师，老师给我们讲了模块连接的部分，才解决了这个问题。
写cpu的过程中用到了很多知识，计算机组成原理的有符号乘法，算术移位，计算机体系结构的五级流水等等，通过本次实验不仅学会了怎样做cpu，还将学过的课程复习了一遍，觉得受益良多。
最后以一句《自己动
手写cpu》上的话来结尾
一个人的旅行
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