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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划合工大cpu实验报告武汉大学开放式CPU设计实验报告专业：物联网姓名：张三同组姓名：林文王伟XX年5月1.设计报告错误！未定义书签。实验目的2实验方法.2总体说明.4各部分说明.82测试报告.42测试程序.42测试结果.44性能分析.443总结.44实验总结.44取得的收获.44意见与建议.错误！未定义书签。1.设计报告实验目的与以往的CPU教学实验不同，这次的“开放式教学CUP设计与测试系统”中使用另外一个成品CUP专门运行监控程序，另外还能够将各种测试程序自动转换成用实验者所设计
2、的指令系统表示的目标代码，并且能够在实验装置上运行、调试和测试所生成的目标代码。有了这样的改进，我们做实验就有了新的要求和任务：学会使用先进的硬件设计工具和超大规模集成电路FPGA设计并实现一个CPU芯片。要求采用先进的工具软件进行模拟和测试，测试通过后再下载到FPGA中制成CPU芯片。在过程中需要掌握的主要就是CPU的设计、验证和测试方法，以及学会相关工具软件的使用方法。实验环境软件：QuartusII，完成指令集设计、逻辑设计后，用于各个功能模块的VHDL语言程序编写、编译以及FPGA-CPU的软件模拟；DebugController，用于软件模拟成功后的硬件调试。硬件：FPGA(Fiel
3、dProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列。FPGA具有掩膜可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列组成，并由可编程互联资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。实验方法本实验要完成的工作主要包括：指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现，软件模拟，以及硬件调试。这几部分的工作之间是先行后续的关系，不存在并行完成的情况。实验主要流程如下图所示：其中指令系统和逻辑结构的设计主要参考了附录所列的文献。主要的方法是先确定CPU所要实现的功能，根据寄存器等的情况划分指令格式，然后根据功能写出指令，根据不同指令的特点将它们分组并确定操作码；接
4、下来设想每条指令的执行过程，需要哪些硬件支持，最后确定整个CPU的逻辑结构图。在各个功能模块的实现中主要使用了自底向上的设计方法。先实现寄存器，再实现寄存器组，等等，最后将各个器件和模块之间互连，得到顶层设计图。但有些逻辑的设计实现方法也涉及到顶向下的方法。要注意的是，根据各个信号所对应的管脚可以画出如下的FPGA-CPU顶视图：OUTA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9INOUT/WRREG15REG14REG13REG12REG11REG10REG9REG8REG7REG6REG5REG4REG3REG2REG1REG0OUTOUTD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0REGSEL5
5、REGSEL4REGSEL3REGSEL2REGSEL1REGSEL0INCZVSCLK可以看出在这个顶层模型中有一些信号并不是CPU本身必须的，比如寄存器选择信号，主要是为调试和检查服务的。为此还需要在设计中加入一些译码电路以输出各个通用寄存器和指令寄存器等的内容。从这个角度说，在设计中还使用了自顶向下的方法。软件模拟和硬件调试并无太多方法可言，主要是仔细观察和全面考虑，把各种可能性都验证到。总体说明1、指令系统：计算机的指令是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计算机支持的全部指令就构成该机的指令系统。从计算机本身的组成看，指令系统直接与计算机系统的性能和硬件结构的复杂程度等
6、密切相关，它是CPU设计的起始点和基本依据。设计指令系统的核心问题是选定指令的格式和功能。具体到我们的设计来说，指令的功能应该包括简单的算术和逻辑运算，移位操作，数据传送，跳转，读写内存，另外还可能包括一些其他功能如置条件码等。为了指令的规整性和便于译码，我们主要采用了定长的操作码组织方案，操作码为8位。寻址方式包括了寄存器寻址、立即数寻址、直接地址和相对寻址。指令格式分类：单字单操作数指令OPCODEOFFSET包括：DEC,INC,SHL,SHR,JR,JRC,JRNC,JRZ,JRNZ,JRS,JRNS单字双操作数指令包括：ADD,SUB,AND,CMP,XOR,TEST,OR,MVRR
7、,ADC,SBB,LDRR,STRR单字无操作数指令OPCODE包括：CLC,STC双字单操作数指令OPCODEADR包括：JMPA双字双操作数指令DATA包括：MVRD指令的分组及节拍：由于没有中断操作，本机指令的执行步骤可概括如下：读取指令：地址寄存器-指令地址，修改PC内容使其指向下一条将要执行的指令；读内存，指令寄存器-读出的内容。分析指令执行指令：通用寄存器之间的运算或传送，可1步完成；读写内存，通常要两步完成。根据指令的执行步骤不同，可以把全部指令分为A、B两组。其中A组指令完成的是通用寄存器之间的数据运算或传送，或其他一些特殊操作，在取指之后可一步完成，包括：ADD,SUB,AN
8、D,CMP,XOR,TEST,OR,MVRR,DEC,INC,SHL,SHR,ADC,SBB,JR,JRC,JRNC,JRZ,JRNZ,JRS,JRNS,CLC,STC；B组指令完成的是一次内存读写操作，在取指之后可两步完成，包括：JMPA,LDRR,STRR,MVRD。在编码的时候以指令操作码的最高位来区分A、B组指令，0为A组指令，1为B组指令。在控制器方面我们选用了组合逻辑控制器方案。使用节拍来标记每条指令的执行步骤。由指令而定，在我们的系统中不同的执行步骤只有5个，故使用3位节拍就足够了。指令汇总表：计算机组成与系统结构实验报告CPU设计与实现院：专业班级：组员：指导教师：计算机科学与
9、技术设计实现CPU部件。实验仪器：PC机两台TEC-CA计算机组成原理试验箱一、理论设计、设计指令集设计CPU第一步，就是根据需求，确定功能，并且设计出指令集。指令集包括每一条指令的编码方式，操作码以及每一条指令实现的功能。考虑到第一次设计CPU，在指令集设计过程中难免会出现考虑不周全或者指令集设计不科学的问题，我们借鉴了经典的31条MIPS指令集。在对指令集每一条指令进行解读、分析后，我们确定：31条MIPS指令可以满足我们的CPU的基本功能。下面将31条MIPS指令的编码格式、对应的操作类型以表格的形式列举出来：电路分析基础实验指导XX3实验一常用电子仪器使用万用表万用表是一种多用途的电工
10、仪表，最常用的万用表，具有测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻值等功能。万用表可分为指针式和数字式万用表，图1为指针式万用表，图2为数字式万用表，万用表的型号很多，但它们的结构基本相似，使用方法也基本相同。一、使用方法1、电阻的测量方法步骤一：连接表棒。将表棒插入万用表的正负接线柱上；步骤二：调零。将表棒的两端相接触，调节欧姆条正电位器，使指针准确地指在欧姆刻度的零位上；步骤三：档位选择。将转换开关旋至欧姆档的范围内；开始尽量选大的范围，测量后根据阻值再进行选择适当的范围。步骤四：测量电阻。将表棒分开去测量未知电阻的阻值。2、直流、交流电压和直流电流的测量方法步骤一：连接表棒。步骤
11、二：档位选择。如果测直流电压将转换开关旋至直流电压档的范围内，测交流电压就旋至交流电压档范围内，测直流电流就将旋至直流电流档的范围内；步骤三：量程选择。估算后选择档位的适当量程；步骤四：测量并读数。将表棒接入电路，根据指针偏转，读出待测电压的大小。二、注意事项1、如果用数字表测量时，被测的量小，档位放的太大，就会出现小数点的位数太多。如果被测量的量大，档位放的太小，这时测量结果数字就为“1”，这说明档位太小，被测的量太大，数值溢出了，需换大档位。2、测量电阻时，若用指针表，首先要将两只表笔短路，用调零旋钮将表针调到零，然后再测量。测量时，两手不应同时接触电阻两端，否则相当于在被测电阻两端并联一个人体电阻，而产生误差。3、测量出的电阻值是档位值乘上指针的读数。如果用数字表测量电阻时，电阻值可以直接读出。4、每次使用前应将转换开关调节在正确位置上再开始测量。测量电路中的电压时，万用表要并联在被测支路上。测量电路中的电流时，万用表要串联在被测支路中。5、应该养成良好的使用习惯，即每当万用表使用完毕，应将转换开关放在最高交流电压档位上。图2数字式万用表图1指针式万用表WYK303B
