杭电计算机组成原理课程设计-实验十二-实现R-I型指令的CPU设计实验
2020-07-22 09:05
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R-I CPU 设计实验
实验内容
设计一个MIPS单周期R-I CPU
实验原理
实验流程图
R-I CPU 控制信号大全
汇编指令与.coe文件
地址 | 机器代码 | 汇编指令 | 执行结果 |
---|---|---|---|
[0x00400000] | 0x38011234 | xori $1, $0, 0x1234 | $1=0000_1234 |
[0x00400004] | 0x20020004 | addi $2, $0, 0x0004 | $2=0000_0004 |
[0x00400008] | 0x2003b000 | addi $3, $0, -0x5000 | $3=ffff_b000 |
[0x0040000c] | 0x38645555 | xori $4, $3, 0x5555 | $4=ffff_e555 |
[0x00400010] | 0x00832820 | add $5, $4, $3 | $5=ffff_9555 |
[0x00400014] | 0x30a65555 | andi $6, $5, 0x5555 | $6=0000_1555 |
[0x00400018] | 0x2cc71234 | sltiu $7, $6, 0x1234 | $7= 0000_0000 |
[0x0040001c] | 0x8c480000 | lw $8, 0($2) | $8= 0063_2020 |
[0x00400020] | 0xac080024 | sw $8, 36($0) | [A9]= 0063_2020 |
Test_Inst.coe文件内容(指令代码)
memory_initialization_radix=16; memory_initialization_vector=38011234,20020004,2003b000,38645555,00832820,30a65555,2cc71234,8c480000,ac080024,030bc825,01798826,01d89024,02299820,0253a025,01b1a804,02b1b004,016eb820,0009f880,00000820,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd,00000820,00632020,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd,00000820,00632020,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd;
Test_mem.coe文件内容(存储器)
memory_initialization_radix=16; memory_initialization_vector=00000010,00632020,00010fff,00000008,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd,00000820,00632020,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd,00000820,00632020,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd,00000820,00632020,00010fff,20006789,ffff0000,0000ffff,88888888,99999999,aaaaaaaa,bbbbbbbb,12345678,23456789,3456789a,456789ab,56789abc,6789abcd;
.coe文件内容由汇编语言翻译而来,详情见 MIPS汇编器与模拟器实验
根据.coe文件创建IP核,IP核的创建详情见 ISE IP核创建教程
逻辑引脚图
仿真时序波形图
R-I CPU 完整代码
module R_I_CPU( clk,rst,clk_m, Inst_code,PC, opcode,rs,rt,rd,shamt,func,imm,offset, ALU_F,ZF,OF,ALU_OP, rd_rt_s,imm_s,rt_imm_s,alu_mem_s, ALU_B,R_Data_A,W_Addr,W_Data,imm_kz,R_Data_B,M_R_Data,Write_Reg,Mem_Write,Mem_Addr ); input clk;//时钟 input rst;//清零 input clk_m; output reg [31:0]PC;//地址 wire [31:0]PC_new; output [31:0]Inst_code;//取出的指令 output [5:0]opcode,func;//指令分段 output [4:0]rs,rt,rd,shamt;//指令分段 output [15:0]imm,offset;//指令分段 wire [25:0]address;//指令分段 output [31:0] ALU_F;//ALU结果 output reg [2:0] ALU_OP;//ALU结果 output ZF,OF; output reg Write_Reg; output reg Mem_Write; output [31:0]R_Data_A; output [31:0]R_Data_B; output [31:0]M_R_Data; output [7:0]Mem_Addr; output reg rd_rt_s; output reg imm_s; output reg rt_imm_s; output reg alu_mem_s; output [4:0]W_Addr; output [31:0]ALU_B; output [31:0]W_Data; output reg [31:0]imm_kz; initial PC = 32'h00000000; assign PC_new = PC + 4; ROM_B ROM1 ( .clka(clk), // input clka .addra(PC[7:2]), // input [5 : 0] addra .douta(Inst_code) // output [31 : 0] douta ); always @(negedge clk or posedge rst) begin if (rst) PC = 32'h00000000; //PC复位; else PC = PC_new; //PC更新为PC+4; end; assign opcode = Inst_code[31:26]; assign rs = Inst_code[25:21]; assign rt = Inst_code[20:16]; assign rd= Inst_code[15:11]; assign shamt = Inst_code[10:6]; assign func = Inst_code[5:0]; assign imm= Inst_code[15:0]; assign offset= Inst_code[15:0]; assign address = Inst_code[25:0]; always @(*) begin ALU_OP = 3'b100; //默认做加法 rd_rt_s = 1'b0; //默认写入rd指明的寄存器 imm_s = 1'b0; //默认对立即数/偏移量进行0扩展 rt_imm_s = 1'b0; //默认读出rt寄存器的数据送ALU_B alu_mem_s = 1'b0; //默认ALU运算结果写入目的寄存器 Write_Reg = 1'b1; //默认写寄存器 Mem_Write = 1'b0; //默认不写存储器 if (opcode==6'b000000) //R指令 begin case (func) 6'b100000:begin ALU_OP=3'b100;end 6'b100010:begin ALU_OP=3'b101;end 6'b100100:begin ALU_OP=3'b000;end 6'b100101:begin ALU_OP=3'b001;end 6'b100110:begin ALU_OP=3'b010;end 6'b100111:begin ALU_OP=3'b011;end 6'b101011:begin ALU_OP=3'b110;end 6'b000100:begin ALU_OP=3'b111;end endcase end else begin case(opcode) 6'b001000:begin rd_rt_s=1;imm_s=1;rt_imm_s=1;ALU_OP=100;end //addi 6'b001100:begin rd_rt_s=1;rt_imm_s=1;ALU_OP=000; end //andi 6'b001110:begin rd_rt_s=1;rt_imm_s=1;ALU_OP=010;end //xori 6'b001011:begin rd_rt_s=1;rt_imm_s=1;ALU_OP=110; end //sltiu 6'b100011:begin rd_rt_s=1;imm_s=1;rt_imm_s=1;alu_mem_s=1;ALU_OP=100; end //lw 6'b101011:begin imm_s=1;rt_imm_s=1;ALU_OP=100;Write_Reg=0;Mem_Write=1; end //sw endcase end end; always @(*) begin if(imm_s==1'b0) begin imm_kz={{16{1'b0}},imm}; end if(imm_s==1'b1) begin case(imm[15]) 1'b1:imm_kz={{16{1'b1}},imm}; 1'b0:imm_kz={{16{1'b0}},imm}; endcase end end; REGS REGS_1(R_Data_A,R_Data_B,W_Data,rs,rt,W_Addr,Write_Reg,rst,~clk); ALU ALU_1(ALU_OP,R_Data_A,ALU_B,ALU_F,ZF,OF); RAM_B RAM1 ( .clka(clk_m), // input clka .wea(Mem_Write), // input [0 : 0] wea .addra(Mem_Addr[7:2]), // input [5 : 0] addra .dina(R_Data_B), // input [31 : 0] dina .douta(M_R_Data) // output [31 : 0] douta ); assign W_Addr=(rd_rt_s)?rt:rd; assign ALU_B=(rt_imm_s)?imm_kz:R_Data_B; assign Mem_Addr=ALU_F[7:0]; assign W_Data=(alu_mem_s)?M_R_Data:ALU_F; endmodule module REGS(R_Data_A,R_Data_B,W_Data,R_Addr_A,R_Addr_B,W_Addr,Write_Reg,rst,clk); input clk;//写入时钟信号 input rst;//清零信号 input Write_Reg;//写控制信号 input [4:0]R_Addr_A;//A端口读寄存器地址 input [4:0]R_Addr_B;//B端口读寄存器地址 input [4:0]W_Addr;//写寄存器地址 input [31:0]W_Data;//写入数据 output [31:0]R_Data_A;//A端口读出数据 output [31:0]R_Data_B;//B端口读出数据 integer i; reg [31:0] REG_Files[0:31]; initial for(i=0;i<32;i=i+1) REG_Files[i]<=0; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst) for(i=0;i<32;i=i+1) REG_Files[i]<=0; else if(Write_Reg&&W_Addr!=32'd0) REG_Files[W_Addr]<=W_Data; end assign R_Data_A=REG_Files[R_Addr_A]; assign R_Data_B=REG_Files[R_Addr_B]; endmodule module ALU(ALU_OP,A,B,F,ZF,OF); input [2:0] ALU_OP; input [31:0] A; input [31:0] B; output [31:0] F; output ZF; output OF; reg [31:0] F; reg C,ZF; always@(*) begin C=0; case(ALU_OP) 3'b000:begin F=A&B; end 3'b001:begin F=A|B; end 3'b010:begin F=A^B; end 3'b011:begin F=~(A|B); end 3'b100:begin {C,F}=A+B; end 3'b101:begin {C,F}=A-B; end 3'b110:begin F=A<B; end 3'b111:begin F=B<<A; end endcase ZF = F==0; end assign OF = ((ALU_OP==3'b100)||(ALU_OP==3'b101))&&(A[31] ^ B[31] ^ F[31] ^ C); endmodule
测试用例代码
always #13 clk_m=~clk_m; always #47 clk=~clk; initial begin clk = 0; rst = 1; clk_m = 0; #3; rst=0; end endmodule
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