CPU計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告CPU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院（系）： 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)組 員： 指導(dǎo)教師： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CPU部件。實(shí)驗(yàn)儀器：PC機(jī)（安裝Altebra 公司的開(kāi)發(fā)軟件 QuartusII，Modelsim）兩臺(tái)TEC-CA計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)過(guò)程：一、理論設(shè)計(jì)1.1、設(shè)計(jì)指令集設(shè)計(jì)CPU第一步，就是根據(jù)需求，確定功能，并且設(shè)計(jì)出指令集。指令集包括每一條指令的編碼方式，操作碼以及每一條指令實(shí)現(xiàn)的功能?？紤]到第一次設(shè)計(jì)CPU，在指令集設(shè)計(jì)過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)考慮不周全或者指令集設(shè)計(jì)不科學(xué)的問(wèn)題，我們借鑒了經(jīng)典的31條MIPS指令集。在對(duì)指令集每一條指

2、令進(jìn)行解讀、分析后，我們確定：31條MIPS指令可以滿足我們的CPU的基本功能。下面將31條MIPS指令的編碼格式、對(duì)應(yīng)的操作類型以表格的形式列舉出來(lái)：MIPS 指令集(共31條）助記符指令格式示例示例含義操作及其解釋Bit #31.2625.2120.1615.1110.65.0   R-typeoprsrtrdshamtfunc   addrsrtrd00000 add $1,$2,$3 $1=$2+$3 rd <- rs + rt   ；其中rs$2，rt=$3,

3、 rd=$1addursrtrd00000 addu $1,$2,$3 $1=$2+$3 rd <- rs + rt   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1,無(wú)符號(hào)數(shù)subrsrtrd00000 sub $1,$2,$3 $1=$2-$3 rd <- rs - rt   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1subursrtrd00000 subu $1,$2,$3 $1=$2-$3 rd <- rs - rt 

4、;  ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1,無(wú)符號(hào)數(shù)andrsrtrd00000 and $1,$2,$3 $1=$2 & $3 rd <- rs & rt   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1orrsrtrd00000 or $1,$2,$3 $1=$2 | $3 rd <- rs | rt   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1xorrsrtrd00000 

5、xor $1,$2,$3 $1=$2  $3 rd <- rs xor rt   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1(異或）norrsrtrd00000 nor $1,$2,$3 $1=($2 | $3) rd <- not(rs | rt)   ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1(或非）sltrsrtrd00000 slt $1,$2,$3 if($2<$3)   

6、$1=1 else   $1=0 if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1sltursrtrd00000 sltu $1,$2,$3 if($2<$3)   $1=1 else   $1=0 if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs$2，rt=$3, rd=$1  (無(wú)符號(hào)數(shù)）sll000

7、00rtrdshamt sll $1,$2,10 $1=$2<<10 rd <- rt << shamt  ；shamt存放移位的位數(shù)，  也就是指令中的立即數(shù)，其中rt=$2, rd=$1srl00000rtrdshamt srl $1,$2,10 $1=$2>>10 rd <- rt >> shamt ；(logical) ，其中rt=$2, rd=$1sra00000rtrdshamt sra $1,$2,10 $1=$

8、2>>10 rd <- rt >> shamt  ；(arithmetic) 注意符號(hào)位保留 其中rt=$2, rd=$1sllvrsrtrd00000 sllv $1,$2,$3 $1=$2<<$3 rd <- rt << rs  ；其中rs$3，rt=$2, rd=$1srlvrsrtrd00000 srlv $1,$2,$3 $1=$2>>$3 rd <- rt >&

9、gt; rs  ；(logical)其中rs$3，rt=$2, rd=$1sravrsrtrd00000 srav $1,$2,$3 $1=$2>>$3 rd <- rt >> rs  ；(arithmetic) 注意符號(hào)位保留 其中rs$3，rt=$2, rd=$1jrrs000000000000000 jr $31 goto $31 PC <- rsI-typeoprsrtimmediate

10、60;  addirsrtimmediate addi $1,$2,100 $1=$2+100 rt <- rs + (sign-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2addiursrtimmediateaddiu $1,$2,100 $1=$2+100 rt <- rs + (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2andirsrtimmediate andi $1,$2,10 $1=$

11、2 & 10 rt <- rs & (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2orirsrtimmediate andi $1,$2,10 $1=$2 | 10 rt <- rs | (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2xorirsrtimmediate andi $1,$2,10 $1=$2 10 rt <- rs xor (zero-extend)immediate ；

12、其中rt=$1,rs=$2lui00000rtimmediate lui $1,100 $1=100*65536 rt <- immediate*65536 ；將16位立即數(shù)放到目標(biāo)寄存器高16         位，目標(biāo)寄存器的 低16位填0lwrsrtimmediate lw $1,10($2) $1=memory$2 +10 rt <- memoryrs + (sign-extend)imm

13、ediate ；rt=$1,rs=$2swrsrtimmediate sw $1,10($2) memory$2+10 =$1 memoryrs + (sign-extend)immediate <- rt ；rt=$1,rs=$2beqrsrtimmediate beq $1,$2,10 if($1=$2)  goto PC+4+40 if (rs = rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<&l

14、t;2 bnersrtimmediate bne $1,$2,10 if($1!=$2) goto PC+4+40 if (rs != rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<<2 sltirsrtimmediate slti $1,$2,10 if($2<10)   $1=1 else   $1=0 if (rs <(sign-extend)im

15、mediate) rt=1 else rt=0 ；   其中rs$2，rt=$1sltiursrtimmediate sltiu $1,$2,10 if($2<10)   $1=1 else   $1=0 if (rs <(zero-extend)immediate) rt=1 else rt=0 ；  其中rs$2，rt=$1J-typeopaddress   jaddress

16、60;j 10000 goto 10000 PC <- (PC+4)31.28,address,0,0   ；address=10000/4jaladdress jal 10000 $31<-PC+4; goto 10000 $31<-PC+4；PC <- (PC+4)31.28,address,0,0   ；address=10000/4經(jīng)典的MIPS指令有三種格式：R-TYPE、I-TYPE、J-TYPE。其

17、編碼格式各不相同，分別代表寄存器操作指令、立即數(shù)操作指令、跳轉(zhuǎn)指令。寄存器操作主要是將寄存器中的樹(shù)取出進(jìn)行運(yùn)算并存回寄存器；立即數(shù)操作為一個(gè)寄存器數(shù)與指令中的擴(kuò)展后的立即數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到結(jié)果再存回寄存器；跳轉(zhuǎn)我們后面的設(shè)計(jì)都是對(duì)這31條指令進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，所有的內(nèi)容緊密圍繞這31條指令。1.2、畫(huà)數(shù)據(jù)通路圖在設(shè)計(jì)完指令后，要做的就是根據(jù)指令描述的功能確定CPU有哪些部件，并且確定各部件之間的連線方式。首先，一個(gè)CPU最重要的部件一定是控制器?？刂破骶拖袢说拇竽X，控制其他各個(gè)部件的工作。其次，由于是基于MIPS指令集的CPU，大多數(shù)操作基于寄存器，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)寄存器堆。此外，ALU運(yùn)算部件對(duì)于C

18、PU來(lái)說(shuō)也是必不可少的。由于有六條指令涉及比較操作，并且給有效位置位。考慮到本CPU設(shè)計(jì)初衷是四級(jí)流水控制，若一條指令多個(gè)節(jié)拍使用ALU部件會(huì)造成部件沖突，后期控制會(huì)比較復(fù)雜。因此，在本CPU中額外設(shè)計(jì)了一個(gè)比較部件。此外，還有其他部件，如PC部件、立即數(shù)擴(kuò)展部件、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等。再根據(jù)31條指令，畫(huà)出數(shù)據(jù)通路圖。這只是一個(gè)初步的數(shù)據(jù)通路圖，卻奠定了CPU的基本構(gòu)架。可能在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)通路有所改動(dòng)，但一定是以現(xiàn)有的圖為基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，這就是我們將要設(shè)計(jì)的CPU的一個(gè)初步藍(lán)圖。二、詳細(xì)設(shè)計(jì)2.1、控制信號(hào)的提取與分析這一部分可以說(shuō)是整個(gè)CPU設(shè)計(jì)過(guò)程里最重要、最復(fù)雜

19、的過(guò)程之一了。在這一部分，我們將依據(jù)數(shù)據(jù)通路圖，分析數(shù)據(jù)通路中所有控制信號(hào)的組成與賦值。第一步，我們將31條指令都劃分為四個(gè)節(jié)拍執(zhí)行完成：取指與譯碼、取數(shù)與ALU操作、主存取數(shù)、寫(xiě)回寄存器。我們需要對(duì)每一條指令的每一個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行分析，判斷它應(yīng)該在第幾節(jié)拍給出。經(jīng)分析，我們?cè)贑PU工作過(guò)程中共需要控制信號(hào)38個(gè)（其中包括4位ALUCtr），分別是：COM0，COM1，ALU_AR，PC_1，RT_DR，PC_AB，DB_IR，DB_DR，RS_ALU，RT_ALU，DE_ALU，PC_ALU，ZERO_ALU，HEX_ALU，SHAMT_ALU，DR_REG，REG_W，REG_R，ALUCt

20、r0，ALUCtr1，ALUCtr2，ALUCtr3，ADDR_PC，DR_DB，ALU_DR，AR_AB，DR_PC，DR_REG31，PC_W，PC_R，J_PC，IMM_DE，DE_U，RD_REG，RS_REG，RT_REG，RS_COM，RT_COM，DE_COM，COM_NVST，ZERO_REG，PC_JIE。具體的信號(hào)表在附件的Excel中。列出所有控制信號(hào)后，對(duì)每一條指令需要哪些控制信號(hào)，在第幾節(jié)拍需要這些控制信號(hào)都要標(biāo)識(shí)清楚。如對(duì)于一號(hào)指令有符號(hào)數(shù)加：在第一節(jié)拍（取指與譯碼），要給出控制信號(hào)PC_1，PC_AB，DB_IR，將PC地址傳入地址總線并取出相應(yīng)的指令送入指令寄存

21、器，PC再完成自加一的操作；第二節(jié)拍（取數(shù)與ALU操作）需要的控制信號(hào)是RS_ALU，RT_ALU，REG_R，ALU_DR，RS_REG，RT_REG（ALUCtr為0，四個(gè)控制信號(hào)都不給出），將指令中rs,rt地址傳給寄存器，寄存器將對(duì)應(yīng)寄存器中的數(shù)取出送到ALU，ALU根據(jù)給出的ALUCtr進(jìn)行不同的操作。第三節(jié)拍是寫(xiě)回寄存器，給出控制信號(hào)DR_REG，REG_W，RD_REG，將DR中的數(shù)、rd地址送至寄存器，并打開(kāi)寄存器寫(xiě)開(kāi)關(guān)。用這種方式分析所有指令。在分析完控制信號(hào)后，我們就可以對(duì)控制器進(jìn)行具體設(shè)計(jì)了。2.2、各部件具體設(shè)計(jì)2.2.1、ALU部件ALU是基于指令集來(lái)設(shè)計(jì)的，可完成二

22、進(jìn)制信息的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和移位操作，共包含31條MIPS指令。我們將其總結(jié)為13種ALU操作類型，用四位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，如下圖所示。這些二進(jìn)制編碼作為ALU控制信號(hào)，即aluctr。編號(hào)操作類型二進(jìn)制編碼1有符號(hào)加00002無(wú)符號(hào)加00013有符號(hào)減00104無(wú)符號(hào)減00115與01006或01017異或01108非或01119有符號(hào)比較100010無(wú)符號(hào)比較100111邏輯左移101012邏輯右移101113數(shù)字右移1100在ALU中，為符合它的雙操作數(shù)功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)寄存器r1和r2，作為ALU的兩個(gè)輸入。經(jīng)過(guò)對(duì)指令集的分析，將進(jìn)入ALU數(shù)據(jù)來(lái)源分為rt、rs，shamt，imm

23、，PC幾種類型，為了避免數(shù)據(jù)操作時(shí)發(fā)生沖突，將其分別放在兩個(gè)寄存器中，其中rt、imm放在r1中，rs、shamt和PC放在r2中。除了兩個(gè)寄存器輸入外，還有ALU控制信號(hào)輸入端口aluctr。一個(gè)輸出端口out。在ALU運(yùn)行過(guò)程中，從r1、r2中取出數(shù)據(jù)，根據(jù)aluctr給出的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，從out端口輸出。ALU部件的代碼見(jiàn)附錄。2.2.2、PC部件PC部件是用來(lái)計(jì)算下一條指令的，在一般情況下，指令都是順序執(zhí)行下去的，即PC+1，而在遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，則需要進(jìn)行其他復(fù)雜的操作，所以我們制作的PC部件主要分了這兩種操作方法。在編寫(xiě)的PC部件代碼中，共有四個(gè)輸入端口，分別是從當(dāng)前執(zhí)行的

24、指令中取來(lái)的地址address，用于下一條PC的拼接，既然有PC拼接和PC+1的兩種操作，我們就分別給出了兩個(gè)輸入的PC操作信號(hào)：pc_ctr和pc_pj，另外還有從ALU來(lái)的運(yùn)算結(jié)果alu_pc作為第四個(gè)輸入端口。輸出端口有pc_out和pc_alu。當(dāng)接收到pc_ctr信號(hào)時(shí)，進(jìn)行PC+1的操作，而當(dāng)接收到pc_pj信號(hào)時(shí)，進(jìn)行PC的拼接操作。PC部件的代碼見(jiàn)附錄。2.2.3、寄存器組寄存器是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要部件，用于暫存數(shù)據(jù)和指令等。由于考慮到存儲(chǔ)空間的大小，我們將原有的32個(gè)32位的寄存器組修改為4個(gè)32位的寄存器組。在寄存器組中，存在兩個(gè)控制信號(hào)，分別為讀和寫(xiě)，當(dāng)收到讀信號(hào)時(shí)，我們接

25、收到的地址所對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)據(jù)取出，若接收到的是寫(xiě)信號(hào)，我們就將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)回之前發(fā)過(guò)來(lái)的地址所指示的寄存器中。其中，地址的來(lái)源有指令中的rs_add，rrt_addr和rd_addr，數(shù)據(jù)來(lái)源為rd_data，共有兩個(gè)輸出端口，分別為rt_out，rs_out。 寄存器組的代碼見(jiàn)附錄。2.2.4、立即數(shù)擴(kuò)展部件立即數(shù)擴(kuò)展部件的主要工作是將指令中的16位的立即數(shù)擴(kuò)展成為32位的數(shù)，并且有有符號(hào)擴(kuò)展和無(wú)符號(hào)擴(kuò)展兩種。因此，對(duì)于一個(gè)立即數(shù)擴(kuò)展部件來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)輸入一個(gè)輸出。輸入分別是16位的立即數(shù)和控制擴(kuò)展方式的控制信號(hào)，輸出是擴(kuò)展之后的32位的數(shù)。立即數(shù)擴(kuò)展部件具體代碼見(jiàn)附錄。2.2.5、比較部

26、件比較部件是我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)?？紤]到每一次比較操作都要經(jīng)過(guò)ALU，而涉及到比較操作的指令除了比較操作本身還會(huì)用一次ALU操作，這在流水設(shè)計(jì)中無(wú)疑會(huì)帶來(lái)部件沖突。盡管在發(fā)生沖突時(shí)，我們可以采用檢測(cè)沖突、加入阻塞的方法進(jìn)行排除，但這無(wú)疑給控制的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。我們考慮：能否為比較操作專門設(shè)置一個(gè)比較部件，用來(lái)判斷兩個(gè)操作數(shù)大小并依據(jù)指令類型為標(biāo)志位賦值。為后面的操作提供依據(jù)。我們?cè)O(shè)計(jì)的比較部件，可以完成如下四種操作：判等置1，判不等置1，判大于置1，判小于置1。因此比較部件有四個(gè)輸入：比較控制信號(hào)1，比較控制信號(hào)2（兩個(gè)信號(hào)組合起來(lái)表示現(xiàn)在在做哪一種判斷），比較數(shù)1以及比較數(shù)2，

27、一個(gè)輸出對(duì)標(biāo)志位置位。具體代碼見(jiàn)附錄。2.2.6、信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器是根據(jù)脈沖信號(hào)循環(huán)給出節(jié)拍控制信號(hào)的部件。學(xué)過(guò)熟悉邏輯的都應(yīng)該就得不難。首先將clk進(jìn)行分頻，將分頻后的信號(hào)與clk組合起來(lái)，表示四個(gè)節(jié)拍，從一到四分別為：00,01,10,11。在仿真后出現(xiàn)了下面的情況（圖2.6.1）：圖2.6.1仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，途中輸出信號(hào)w1,w2,w3,w4出現(xiàn)了毛刺（如4600ns處w1信號(hào)）。在查閱相關(guān)資料并向教員請(qǐng)教后我們意識(shí)到，這就是數(shù)電中說(shuō)到的“毛刺”。由于從“01”到“10”，兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)發(fā)生了變化，所以在變化的一瞬間出現(xiàn)了不想要的“毛刺”。我們又查閱數(shù)電書(shū)，發(fā)現(xiàn)解決毛刺的方法就是

28、采用“格雷碼”編碼方式，即每次信號(hào)變化時(shí)只有一個(gè)信號(hào)發(fā)生變化。因此我們又添加了一個(gè)分頻信號(hào)在clk的時(shí)鐘下降沿翻轉(zhuǎn)，與原先始終上升沿翻轉(zhuǎn)的信號(hào)一起，組成了新的控制信號(hào)，從一到四分別為：00,01,11,10。這樣產(chǎn)生的信號(hào)就符合“格雷碼”編碼方式，也不會(huì)產(chǎn)生“毛刺”。（如圖2.6.2）圖2.6.2信號(hào)發(fā)生器源碼見(jiàn)附錄。2.2.7、硬布線控制器在設(shè)計(jì)CPU之初，我們就決定了使用硬布線方式設(shè)計(jì)控制器。在IDE工具的幫助下設(shè)計(jì)硬布線控制器比真實(shí)的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)硬布線要簡(jiǎn)單的多。運(yùn)用一些固定的格式，IDE會(huì)自動(dòng)生成硬布線電路。之前在2.1的部分，我們就已經(jīng)完成了控制信號(hào)的提取與分析，這時(shí)候只需要細(xì)

29、心地將Excel表格中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成代碼?？刂破鞯妮斎胗辛鶄€(gè)：6位的OP，6位的FUNC，節(jié)拍信號(hào)w1,w2,w3,w4，輸出為所有控制信號(hào)。如在某條指令中，需要在第幾節(jié)拍給出哪個(gè)信號(hào)，就將該信號(hào)等于對(duì)應(yīng)的節(jié)拍輸入即可，IDE會(huì)自動(dòng)生成硬布線電路。源碼見(jiàn)附錄。實(shí)驗(yàn)感悟唐玲芳的實(shí)驗(yàn)感悟經(jīng)過(guò)幾個(gè)星期的努力，雖然沒(méi)能把CPU制作出來(lái)，卻收獲了不少。在這次實(shí)驗(yàn)中，我最大的收獲是對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的理解更加深刻了。在制作的過(guò)程中，我們不懂就問(wèn)，自己動(dòng)腦去理解，因?yàn)槲覀冎?，如果不理解，?shí)驗(yàn)是無(wú)法進(jìn)行下去的，在教員的悉心幫助下，我們也取得了一些成果。在實(shí)驗(yàn)的前期，我們一步一個(gè)腳?。捍_定CPU的功能、能

30、執(zhí)行指令集，制定通路路線圖，分析出所有的控制信號(hào)等等。在這個(gè)過(guò)程中，我們也充分理解到“結(jié)構(gòu)決定功能”這句話，在沒(méi)能全面考慮到所有的功能時(shí)，在通路圖上總會(huì)少幾個(gè)部件，只有將所有功能走通了，都能實(shí)現(xiàn)了，我們的通路才真的制定完整了。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我主要參與了ALU部件、寄存器組、PC部件的制作。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，也遇到了不少麻煩。比如說(shuō)部件的中心思想、主要結(jié)構(gòu)沒(méi)有弄清楚，導(dǎo)致程序出錯(cuò)，而無(wú)法進(jìn)行下去。在之前我們一直以為控制器所給的控制信號(hào)是在ALU內(nèi)部的，控制信號(hào)一來(lái)，才知道數(shù)據(jù)是從哪來(lái)ALU的，然后再?gòu)腁LU中的寄存器中取出來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，但是后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，控制器的控制信號(hào)并不歸ALU管，它是

31、各部件連接的通路上的，在ALU中我們只需要從寄存器中取數(shù),根據(jù)ALU控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算就可以了。明白了這一點(diǎn)后，我們的ALU才基本完成了正確的實(shí)現(xiàn)。另外就是我對(duì)所用的Verilog語(yǔ)言不夠熟悉，很多語(yǔ)法都沒(méi)有完全掌握，在寫(xiě)程序時(shí)，斷斷續(xù)續(xù)，影響進(jìn)度。 總的來(lái)說(shuō)，在這次實(shí)驗(yàn)中，我的收獲還是很大的。無(wú)論是對(duì)課程的理解還是對(duì)編程、動(dòng)手能力的提高，都有一定程度的幫助。戚洪源的實(shí)驗(yàn)感悟在回到信大之前，心里是非常向往這次實(shí)驗(yàn)的。在科大學(xué)習(xí)了一學(xué)期計(jì)算機(jī)原理，第一次如此深入地接觸計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)教員說(shuō)會(huì)在暑期學(xué)期用整整兩周時(shí)間來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。原本以為自己沒(méi)有這樣的機(jī)會(huì)，但很幸運(yùn)還是解除了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。整體感覺(jué)是：

32、很難。設(shè)計(jì)CPU不是紙上談兵，是要實(shí)實(shí)在在寫(xiě)代碼燒板子的，一個(gè)小小的錯(cuò)誤可能就導(dǎo)致了最后的失敗。我在試驗(yàn)中最大的感受有以下幾點(diǎn)：一、 萬(wàn)事開(kāi)頭難做這個(gè)實(shí)驗(yàn)擺在面前的第一個(gè)問(wèn)題就是：現(xiàn)在干嘛？這是一個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題，如果沒(méi)有教員指導(dǎo)，應(yīng)該怎么開(kāi)始？在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前我就著手資料準(zhǔn)備，和許多研究生學(xué)長(zhǎng)交流之后確定了從指令集到通路圖的方案。浴室我著手開(kāi)始搜關(guān)于設(shè)計(jì)指令集的資料，并且確定以31條MIPS指令集為基礎(chǔ)。事后回想起來(lái)，真是萬(wàn)事開(kāi)頭難。當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)來(lái)臨不知道從何入手時(shí)，一定要注意，千萬(wàn)不能自己搞自己那一套，很可能一開(kāi)始就走到了一個(gè)錯(cuò)誤的道路上。既然不知道從何入手，就去查資料，請(qǐng)教別人，這是本次實(shí)

33、驗(yàn)的收獲之一。二、 模塊化設(shè)計(jì)思想和黑盒設(shè)計(jì)思想CPU這幾工作量很大，而且各部分之間緊密聯(lián)系。首先時(shí)間緊，一個(gè)人去完成不太可能實(shí)現(xiàn)，而合作的話，如何將一個(gè)聯(lián)系非常緊密的東西分開(kāi)去做呢？這就要用到模塊化設(shè)計(jì)思想和黑盒設(shè)計(jì)思想。將這個(gè)數(shù)據(jù)通路圖中的元器件按照功能進(jìn)行最小化劃分。一個(gè)元器件有什么輸入什么輸出，實(shí)現(xiàn)什么樣的功能，這和總體連線是沒(méi)有太大關(guān)聯(lián)的。確定出來(lái)大致有哪幾個(gè)元器件，分別是什么輸入輸出，比如ALU部件，就兩個(gè)操作數(shù)輸入，一個(gè)控制信號(hào)輸入，一個(gè)結(jié)果輸出，至于怎么和寄存器堆相連，輸出到哪里之類的問(wèn)題，不需要AlU設(shè)計(jì)者去考慮。最終，在所有元器件確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題之后進(jìn)行頂層連線。講一個(gè)個(gè)元件看

34、成黑盒，元件設(shè)計(jì)者不需要知道外界怎么連接它，頂層設(shè)計(jì)者不需要知道內(nèi)部如何運(yùn)行。這樣，就可以把CPU這個(gè)有機(jī)的整體合理劃分成幾小塊，交給不同人去分別實(shí)現(xiàn)。這種思想還是令我感觸十分深的。在以后的大項(xiàng)目、大問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候，也可以考慮這種方式進(jìn)行分工合作。三、 對(duì)于中央處理器有了更深一步的認(rèn)識(shí)實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)這一次的實(shí)驗(yàn)，我對(duì)于CPU的理解又深了一層。在科大的時(shí)候做過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的，七條指令的單周期CPU的元器件連線圖，連控制信號(hào)都是教員給出來(lái)的，也可以跑指令，當(dāng)時(shí)覺(jué)得非常激動(dòng)。這一次，我自己動(dòng)手設(shè)計(jì)31條指領(lǐng)的流水CPU。從設(shè)計(jì)指令集開(kāi)始，一步一步地提取控制信號(hào)，這個(gè)過(guò)程的收獲非常大。這一

35、次實(shí)驗(yàn)讓我徹底理解了設(shè)計(jì)CPU的控制器應(yīng)該遵循一個(gè)什么樣的流程，絕不是簡(jiǎn)單復(fù)制某本書(shū)上的真值表。在走遍31條指令后，整個(gè)CPU的數(shù)據(jù)通路圖已經(jīng)深深刻在我的腦海里。還有太多太多，整個(gè)過(guò)程的確讓我受益匪淺。四、 對(duì)于硬件設(shè)計(jì)有了更深的了解原先也學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)字設(shè)計(jì)課程，不過(guò)幾乎沒(méi)有接觸實(shí)驗(yàn)。以至于學(xué)完之后許多邏輯上的問(wèn)題根本無(wú)法理解。這一次做了實(shí)驗(yàn)，再回過(guò)頭來(lái)想想，許多東西就可以理解了。特別是一些問(wèn)題的處理，必須用到數(shù)電的知識(shí)。如：設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的時(shí)候遇到的“毛刺”問(wèn)題，一開(kāi)始一頭霧水，根本不懂為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)東西。后來(lái)經(jīng)教員點(diǎn)撥，一下子想起來(lái)這是數(shù)電中學(xué)習(xí)過(guò)的“格雷碼”編碼問(wèn)題。這時(shí)運(yùn)用數(shù)電知識(shí)問(wèn)題迎

36、刃而解。五、 總結(jié)總結(jié)起來(lái)，這一次實(shí)驗(yàn)即使最終沒(méi)有完整地拿出結(jié)果來(lái)，但是已經(jīng)有了許多收獲了。今年暑假的時(shí)候和科大的教員交流，說(shuō)到CPU實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題時(shí)，她說(shuō)作為一個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，沒(méi)有去自己嘗試過(guò)做一個(gè)CPU，還是有點(diǎn)遺憾的。做過(guò)一次，不管結(jié)果如何，都會(huì)有所收獲?，F(xiàn)在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)也告一段落，收獲肯定遠(yuǎn)比上面說(shuō)的要多。真的不虛此行，后面有機(jī)會(huì)，一定要把這個(gè)CPU再拿出來(lái)，把它做完。不知道這個(gè)可不可以算一個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。如果做出來(lái)，能算信大CPU第一人嗎？哈哈，開(kāi)玩笑了。附錄ALU部件源碼module ALU(alucrt,r1,r2,out);input 3:0alucrt;input 31:0r1,

37、r2;output reg31:0out;always(*)begin case(alucrt) 0000: begin if(r231=r131) begin out31=r231; out30:0=r230:0+r130:0; end else begin if(r230:0>r130:0) begin out31=r231; out30:0=r230:0-r130:0; end else begin out31=r131; out30:0=r130:0-r230:0; end end end 0001: begin out=r2+r1; end 0010: begin if(r23

38、1=r131) begin if(r230:0>r130:0) begin out31=r231; out30:0=r230:0-r130:0; end else begin out31=r131; out30:0=r130:0-r230:0; end end else begin out31=r231; out30:0=r230:0+r130:0; end end 0011: begin out=r2-r1; end 0100: begin out=r2&r1; end 0101: begin out=r2|r1; end 0110: begin out=r2r1; end 0

39、111: begin out=r2r1; end 1000: begin if(r231=r131) begin if(r231=1) begin if(r230:0>r130:0) begin out=1; end else begin out=0; end end else begin if(r230:0<r130:0) begin out=1; end else begin out=0; end end end else begin if(r131=1) begin out=1; end else begin out=0; end end end 1001: begin if

40、(r2<r1) begin out=1; end else begin out=0; end end 1010: begin out=(r2<<r1); end 1011: begin out=(r2>>r1); end 1100: begin out=(r2>>>r1); end endcaseendendmodulePC部件源碼module PC(address,alu_pc,pc_alu,pc_ctr,pc_pj,pc_out);input 25:0address;input 31:0alu_pc,pc_ctr,pc_pj;output 3

41、1:0pc_out,pc_alu;reg 31:0r;always(*)begin if(pc_ctr) begin r=r+4; end if(pc_pj) begin r=r+4; r27:2=address; r1:0=0; endendendmodule寄存器組源碼module Register(rs_addr,rt_addr,rd_addr,rd_data,read,write,rt_out,rs_out);input 4:0rs_addr,rt_addr,rd_addr;input 31:0rd_data;input read,write;output 31:0rt_out,rs_

42、out; reg 31:0rt_out,rs_out;reg 31:0r0:3;always(*)begin if(read) begin if(rs_addr) begin case(rs_addr) 00000: begin rs_out=r0; end 00001: begin rs_out=r1; end 00010: begin rs_out=r2; end 00011: begin rs_out=r3; end endcase end if(rt_addr) begin case(rt_addr) 00000: begin rt_out=r0; end 00001: begin r

43、t_out=r1; end 00010: begin rt_out=r2; end 00011: begin rt_out=r3; end endcase end end else begin case(rd_addr) 00000: begin r0=rd_data; end 00001: begin r1=rd_data; end 00010: begin r2=rd_data; end 00011: begin r3=rd_data; end endcase endendendmodule立即數(shù)擴(kuò)展部件源碼module DE(DE_U,IMM,DE_OUT);input DE_U;inp

44、ut 15:0IMM;output 31:0 DE_OUT;reg 31:0 DE_OUT;always(*)beginDE_OUT15:0=IMM;if(DE_U=0)beginDE_OUT31=IMM15;DE_OUT30=IMM15;DE_OUT29=IMM15;DE_OUT28=IMM15;DE_OUT27=IMM15;DE_OUT26=IMM15;DE_OUT25=IMM15;DE_OUT24=IMM15;DE_OUT23=IMM15;DE_OUT22=IMM15;DE_OUT21=IMM15;DE_OUT20=IMM15;DE_OUT19=IMM15;DE_OUT18=IMM15;

45、DE_OUT17=IMM15;DE_OUT16=IMM15;endelsebeginDE_OUT31=0;DE_OUT30=0;DE_OUT29=0;DE_OUT28=0;DE_OUT27=0;DE_OUT26=0;DE_OUT25=0;DE_OUT24=0;DE_OUT23=0;DE_OUT22=0;DE_OUT21=0;DE_OUT20=0;DE_OUT19=0;DE_OUT18=0;DE_OUT17=0;DE_OUT16=0;endendendmodule比較部件源碼module COM(R1,R2,NVST,COM0,COM1);input COM0,COM1;input 31:0 R

46、1,R2;output NVST;reg NVST;reg num;num=COM0+COM1*2;always(*)begincase(num)0:beginif(R1=R2)NVST=1;elseNVST=0;end1:beginif(R1=R2)NVST=0;elseNVST=1;end2:beginif(R1<R2)NVST=1;elseNVST=0;end3:beginif(R1>R2)NVST=1;elseNVST=0;endendcaseendendmodule信號(hào)發(fā)生器源碼module signal(clk,w1,w2,w3,w4);input clk;output

47、 w1,w2,w3,w4;reg w1,w2,w3,w4;reg clk2,clk3;always(posedge clk)beginclk2<=clk2;endalways(negedge clk)beginclk3<=clk3;endalways(clk or clk2)beginw1=clk&clk2;w2=clk2&clk;w3=clk&clk2;w4=clk&clk2;endendmodule硬布線控制器源碼module control(OP,FUNC,W1,W2,W3,W4,RT_DR,COM0,COM1,PC_1,PC_AB,DB_IR

48、,DB_DR,RS_ALU,RT_ALU,DE_ALU,PC_ALU,ZERO_ALU,HEX_ALU,SHAMT_ALU,DR_REG,REG_W,REG_R,ALUCtr0,ALUCtr1,ALUCtr2,ALUCtr3,ADDR_PC,DR_DB,ALU_DR,ALU_AR,AR_AB,DR_PC,DR_REG31,PC_W,PC_R,J_PC,IMM_DE,DE_U,RD_REG,RS_REG,RT_REG,RS_COM,RT_COM,DE_COM,COM_NVST,ZERO_REG,PC_JIE);input W1,W2,W3,W4;input 5:0 OP,FUNC;output

49、COM0,COM1,ALU_AR,PC_1,RT_DR,PC_AB,DB_IR,DB_DR,RS_ALU,RT_ALU,DE_ALU,PC_ALU,ZERO_ALU,HEX_ALU,SHAMT_ALU,DR_REG,REG_W,REG_R,ALUCtr0,ALUCtr1,ALUCtr2,ALUCtr3,ADDR_PC,DR_DB,ALU_DR,AR_AB,DR_PC,DR_REG31,PC_W,PC_R,J_PC,IMM_DE,DE_U,RD_REG,RS_REG,RT_REG,RS_COM,RT_COM,DE_COM,COM_NVST,ZERO_REG,PC_JIE;reg COM0,COM1,ALU_AR,PC_1,RT_DR,PC_AB,DB_IR,DB_DR,RS_ALU,RT_ALU,DE_ALU,PC_ALU,ZERO_ALU,HEX_ALU,SHAMT_ALU,DR_REG,REG_W,REG_R,ALUCtr0,ALUCtr1,ALUCtr2,ALUCtr3,ADDR_PC,DR_DB,ALU_DR,AR_AB,DR_