《单周期CPU的设计与实现》-实验指导书

电子科技大学计算机科学与工程学院

单周期CPU的设计与实现

实验指导书

[计算机组成原理实验]

张建 2013-12-13

计算机组成原理实验单周期CPU的设计与实验

目录

前言 ................................................................................................................................................................ 1

1.1 实验内容 ......................................................................................................................................... 2 1.2实验要求 .......................................................................................................................................... 2 2. 实验环境 ................................................................................................................................................... 3

2．1 硬件平台 ...................................................................................................................................... 3 2．2 软件平台 ...................................................................................................................................... 3 2．3 实验主要仪器设备连接框图 ....................................................................................................... 4 3. 实验原理 ................................................................................................................................................... 5

3．1 概述 .............................................................................................................................................. 5 3．2 单周期CPU的总体电路 ............................................................................................................. 5 3．3 MIPS指令格式 ............................................................................................................................. 6 3．4 数据路径设计 .............................................................................................................................. 7 3．4．1 下一条指令地址的选择 ......................................................................................................... 7 3．4．2 ALU的输入端......................................................................................................................... 8 3．4．3寄存器堆的输入端.................................................................................................................. 8 4. 基本功能部件的设计与实现 .................................................................................................................. 10

4．1 32位2选1选择器的设计与实现 ............................................................................................. 10 4．2 32位4选1选择器的设计与实现 ............................................................................................. 18 4．3 5位2选1选择器的设计与实现 ............................................................................................... 19 4．4 带有异步清零的32位D触发器的设计与实现 ...................................................................... 19 4．5 移位器的设计 ............................................................................................................................ 20 4．6 32位加/减法器的设计与实现.................................................................................................... 20 5．运算器（ALU）的设计与实现 ............................................................................................................ 21 6．寄存器堆（Register File）的设计与实现 ............................................................................................ 24 7．控制器（Control Unit）的设计与实现 ................................................................................................ 27 8. CPU的封装 .............................................................................................................................................. 30 9. 测试 ......................................................................................................................................................... 32

9．1 指令存储器及测试程序 ............................................................................................................. 32 9．2 数据存储器及测试数据 ............................................................................................................. 33 9．3 仿真测试 .................................................................................................................................... 33 9．4 下载到开发板验证..................................................................................................................... 35 附件： .......................................................................................................................................................... 39

BTN_Anti_Jitter模块 .......................................................................................................................... 39 Hex7seg_decode模块 .......................................................................................................................... 39

计算机组成原理实验单周期CPU的设计与实验

前 言

《计算机组成原理》是计算机科学专业的一门重要专业基础课。在该课程中的理论学习中系统地阐述了计算机各组成部件的工作原理、逻辑实现和设计方法及将各部件连接成整机的方法，计算机硬件与底层软件的接口，培养了学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计的基本技能能力。

本实验开设的目的是让学生通过设计一个单周期的CPU，加深对计算机各组成部件功能的理解和掌握，更好地理解计算机的基本工作原理，培养和锻炼学生掌握计算机硬件设计的基本方法和技能。本实验是计算机硬件系列实验的重要实验，是后续计算机系统实验的基础。

本实验的先修课程：《数字逻辑》及《Verilog HDL硬件描述语言》。

对于未修先修课程的学生实验指导教师应对其进行相关知识的培训，培训建议4学时。

本实验所针对的教材：《计算机 …… 此处隐藏：4367字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……