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1、单周期MIPS处理器设计实验报告完成人：笪腾飞 2012011263一、实验目的 1、设计一个32位的单周期MIPS处理器，具备定时器、数码管等外设；2、编写一个编译器，可以将mips代码编译为二进制机器码；3、编写一个计算两个整数的最大公约数的汇编程序。二、设计方案根据理论课所学的单周期MIPS处理器数据通路的知识，结合本次试验的具体要求，最终设计方案如下：1、系统时钟为了综合后能够在开发板上正确运行程序，我们决定采取50MHz的CPU时钟，因此编写了一个时钟分频模块，对开发板提供的100MHz时钟进行二分频，从而得到50MHz时钟。2、PC产生模块原理图如下：如上图左半部分所示，多路选择器
2、由一个always语句中的ifelse ifelse语句实现。其中，将ALU中的加减法部分提取出来实现一个加法器，用于产生PC+4和ConBA两个PC来源。将I型指令中的16位立即数左移两位后再符号位扩展成32位地址，与PC+4相加得到分支地址ConBA。将跳转指令中的26位目标地址左移两位后，与当前PC的高四位拼接得到跳转地址JT。将第一个操作数寄存器中的值取出作为PC的一个输入，这是为了实现jr和jalr指令，从$Xp和$Ra寄存器中读取跳转地址。ILLOP和XADR分别是发生中断和异常时的跳转地址。下一指令地址的选择由PCSrc决定，而PCSrc是译码后由控制信号模块根据每条指令的操作码
3、(opcode)和函数码(funct)产生。3、译码模块原理图如上图右半部分所示，将PC作为ROM模块的地址输入，输出即为PC所对应的指令。分别取出指令中的某些片段，得到$Rs，$Rt，$Rd，shamt，funct，16位立即数和26位跳转地址。4、控制模块控制模块即控制信号产生模块，六位操作码OpCode，六位函数码5:0 Funct，定时器中断信号irq和PC最高位PC31作为输入，输出为以下控制信号：(1) R型指令指示信号IsR，值为1表示当前指令为R型指令，否则非R型指令；(2) PC产生的选择信号2:0 PCSrc，取值0,1,2,3,4及其它，分别选择下一指令不同的PC；(3)
4、 目的寄存器选择信号1:0RegDst，被写入的寄存器有四种选择：$Rd,$Rt,$Ra,$Xp，分别由RegDst不同取值完成选择；(4) 写寄存器使能信号RegWr，值为1表示允许对寄存器进行写操作；(5) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将移位量shamt进行0扩展后作为输入，值为0表示将$Rs寄存器中的值作为输入；(6) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将扩展后的32位立即数作为输入，值为0表示将$Rt寄存器中的值作为输入;(7) ALU运算控制信号5:0 ALUFunc，作为ALU的输入选择不同的运算操作；(8) 有无符号数指示信号Si
5、gn，值为1表示有符号数，值为0表示无符号数；(9) 写存储器使能信号MemWr，值为1表示允许对存储器进行写操作；(10) 读存储器使能信号MemRd，值为1表示允许对存储器进行读操作；(11) 写寄存器值的选择信号1:0 MemToReg，选择ALU结果，存储器读取结果和PC+4其中之一作为写入目的寄存器的值；(12) 符号位扩展指示信号EXTOp，值为1表示对16位立即数进行符号位扩展，值为0表示0扩展；(13) 立即数高位取指令指示信号LUOp，值为1表示当前指令为lui指令，选择将立即数载入高16位低位填0的32位立即数作为ALU输入，值为0表示将正常扩展后的32位立即数作为ALU输
6、入；控制信号的具体产生过程此处略去，在控制信号说明文件中进行详述。下图为数据通路的总体原理图：5、寄存器堆模块寄存器堆模块RegFile根据$Rs,$Rt,$Rd的值和写寄存器使能信号RegWr完成对寄存器堆的读写操作。6、ALU模块根据指令内容进行选择后得到两个ALU操作数和ALU运算控制信号ALUFunc及有无符号数指示信号作为ALU输入，完成算术运算、位运算、逻辑运算、移位运算和比较运算，输出为运算结果ALUResult。7、数据存储器模块通过读写使能信号、读写地址和写入内容完成对数据存储器的读写操作。8、外设模块完成对除UART部分的外设的读写操作，以及实现定时器功能，此模块为实验提供
7、模块。9、UART模块此模块通过对串口对应外设地址的读写操作，完成串口收发器的数据接收和数据发送功能。10、存储器读取结果读存储器的结果可能是数据存储器或外设中的内容，因此要通过读存储器的地址进行选择，此处该地址即为ALU的计算结果ALUResult（lw指令的读取地址为$Ra寄存器的值加上偏移量），若ALUResult高两位为00表示读取的是数据存储器，若高两位为其它（实际上是01）表示读取的是外设。若ALUResult5为1或ALUResult4、3为0表示读取UART内容，否则表示读取其他外设的内容。三、关键代码及文件清单1、分频模块 CPU_clk.v2、PC产生模块assign im
8、m16_sll_2bits = 14imm1615,imm16,2b00;assign JT = PC31:28,target,2b00;assign ILLOP = 32h80000004;assign XADR = 32h80000008;Adder add1(.A(PC),.B(4),.CIN(1b0),.S(PC_Add_4);Adder add2(.A(PC_Add_4),.B(imm16_sll_2bits),.CIN(1b0),.S(ConBA);always (posedge clk or negedge reset) begin if (!reset) PC = 32h800
9、0_0000; else if (PCSrc = 0) PC = PC_Add_4; else if (PCSrc = 1 & ALUResult0 = 1b0) PC = PC_Add_4; else if (PCSrc = 1 & ALUResult0 = 1b1) PC = ConBA; else if (PCSrc = 2) PC = JT; else if (PCSrc = 3) PC = DataBusA; else if (PCSrc = 4) PC = ILLOP; else PC = XADR;end3、数据通路ROM IF(.addr(PC),.data(Instructi
10、on);OpcodeToControl control(.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.irq(irq),.PC31(PC31),.IsR(IsR),.PCSrc(PCSrc),.RegDst(RegDst),.RegWr(RegWr),.ALUSrc1(ALUSrc1),.ALUSrc2(ALUSrc2), .ALUFunc(ALUFunc),.Sign(Sign),.MemWr(MemWr), .MemRd(MemRd),.MemToReg(MemToReg),.EXTOp(EXTOp),.LUOp(LUOp);RegFile RF(.reset(reset)
11、,.clk(clk),.addr1(Rs),.data1(DataBusA),.addr2(Rt),.data2(DataBusB), .wr(RegWr),.addr3(RegWrAddr),.data3(DataBusW);ALU alu(.SrcA(SrcA),.SrcB(SrcB),.ALUFunc(ALUFunc),.Sign(Sign),.ALUResult(ALUResult),.Zero(Zero),.OverFlow(OverFlow),.Negative(Negative); DataMem dm(.reset(reset),.clk(clk),.rd(MemRd),.wr
12、(MemWr),.addr(ALUResult),.wdata(DataBusB),.rdata(DataMemResult);Peripheral per(.reset(reset),.clk(clk),.rd(MemRd),.wr(MemWr),.addr(ALUResult),.wdata(DataBusB),.rdata(PeripheralResult),.led(led),.switch(switch),.digi(digi),.irqout(irq) ); UART uart(.clk(clk),.rd(MemRd),.wr(MemWr),.wdata(DataBusB),.re
13、set(reset),.DataIn(UARTIn),.addr(ALUResult),.DataOut(UARTOut),.rdata(UARTResult);assign MemRdData = (ALUResult31:30 = 2b00) ? DataMemResult : (ALUResult5 = 1b1 | (ALUResult4 & ALUResult3) ? UARTResult : PeripheralResult;代码文件见附件。四、仿真结果及分析 第一组输入为00001111(15)和00000101(5)，输出为00000101(5)；第二组输入为00000011(3
14、)和00001001(9)，输出为00000011(3)；计算结果正确，UART、led、数码管均显示正确。五、综合情况六、硬件调试情况硬件调试工作正常七、思想体会在理论课上已经学习过单周期数据通路的搭建，思路比较清晰，老师又对一些关键模块如寄存器堆、存储器、外设等提供了代码，因此，初步搭建一个较为粗糙的单周期数据通路并不困难，然后是结合本次试验的一些要求，逐渐丰富完整数据通路。比较有难度的是在后续仿真调试过程中遇到的各种复杂情况，需要对硬件作出一些调整，如对存储器的读取，起初并未考虑到数据存储器与外设的区别，因为在理论课中也并未提及到，后来仿真出不了结果，经过反复分析发现是读取存储器的问题，
15、于是针对不同存储地址的区别进行了选择。从开始着手单周期，包括安排控制信号，到最后仿真出正确结果，综合到开发板上正确显示运行，经历了一个并不容易的过程。在这个过程中学到了很多东西，也积累了很多经验，很多时候对一个系统来说，开始是非常重要的。对系统整体有了较为充分的理解，对各部分衔接也有很明确的认识，在思路清晰的情况下搭建一个系统，事半功倍，以后也可以非常方便地修改和调试。反之，开始的时候很多地方模糊不清，到后面往往越改越糟，即使侥幸成功，也不是高质量的作品。因此一定开始之前心中一定要想清楚要做什么。在调试的时候要抓住关键点，出现某个错误，和哪些模块相关，最有可能是什么错误引起的，逐个检查，抓住重点，不慌不乱，错误总是可以检查出来的。关键还是要有信号，不能觉得错综复杂，看一会儿也看不出原因就想放弃，跟着系统运行一条条指令，一定能找出异常所在。感谢两位队友非常给力的工作和支持，也感谢老师
