计算机组成原理实验报告单周期CPU的设计与实现文档格式.docx

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二、实验室名称：

主楼A2-411

三、实验项目名称：

单周期CPU的设计与实现。

四、实验学时：

8学时

五、实验原理：

（一）概述

【

单周期（SingleCycle）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-64两种。

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。

六、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。

七、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。

八、,

九、实验器材（设备、元器件）：

（一）安装了XilinxISEDesignSuite的PC机一台

（二）FPGA开发板：

AnvylSpartan6/XC6SLX45

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

一十、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（NewProject）

'

启动ISEDesignSuite软件，然后选择菜单File→NewProject，弹出NewProjectWizard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NewSource命令，创建一个VerilogModule模块，名称为：

MUX5_2_1，然后输入其实现代码：

moduleMUX5_2_1（

input[4:

0]A,

0]B,

inputSel,

output[4:

0]O

）;

assignO=SelB:

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：

moduleMUX5_2_1_T;

…

（A）,

.B（B）,

.sel（sel）,

.C（C）

initialbegin

（A）,

。

.O（O）

A=0;

B=0;

sel=0;

（d）,

：

.o（o）

n1（Rn1）,

.Rn2（Rn2）,

.Wn（Wn）,

.Write（Write）,

.Wd（Wd）,

.A（A）,

.Clock（Clock）

（A）,

.ALU_operation（ALU_operation）,

）

.Result（Result）,

.Zero（Zero）

p（op）,

.RegDst（RegDst）,

.RegWrite（RegWrite）,

.ALUSrc（ALUSrc）,

;

.MemWrite（MemWrite）,

.MemRead（MemRead）,

.MemtoReg（MemtoReg）,

.Branch（Branch）,

.ALUctr（ALUctr）

；

.func（func）,

]

.ALU_op（ALU_op）

~

lock（clock）,

.reset（reset）,

.b_addr（b_addr）,

.Z（Z）,

.inst（inst）,

.o_addr（o_addr）,

.o_sum（o_sum）,

.o_sum1（o_sum1）

eset（Reset）,

.Clock（Clock）,

.Inst（Inst）,

|

.Data（Data）,

.B_data（B_data）,

.NextPC（NextPC）

ddress（address）,

.inst（inst）

lock（Clock）,

.Reset（Reset）,

.Pc（Pc）,

@

.Aluout（Aluout）,

.B_data（B_data）

//InitializeInputs

Clock=0;

Reset=0;

//Wait100nsforglobalresettofinish

#100;

Clock=~Clock;

Reset=1;

？

《

￥

end

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。

一十一、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。

一十二、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。

一十三、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。

本次实验完全是独立完成，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。

一十四、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。

报告评分：

指导教师签字：