2023年CPU大作業(yè)報(bào)告詳細(xì)

計(jì)算機(jī)原理課程設(shè)計(jì)小組信息小組編號(hào)XＸ成員信息姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)分工分值比例組長(zhǎng)PC、控制器CU、硬件成員1。。。。。。成員2。。。。。。成員3。。。。。。注：1、字體格式,宋體、小4號(hào),居中;2、小組編號(hào)以課代表處公布為準(zhǔn)；３、分值比例應(yīng)由小組成員共同協(xié)商，總和為１。設(shè)計(jì)內(nèi)容和規(guī)定注：1、字體格式,宋體、小4號(hào),居中;2、該項(xiàng)內(nèi)容簡(jiǎn)述即可。通過(guò)之前的課程作業(yè)實(shí)踐,進(jìn)一步學(xué)習(xí)和理解計(jì)算機(jī)原理組成原理,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)小組的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以順利執(zhí)行自編的程序（使用自定義指令集)，得出對(duì)的的運(yùn)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)按照結(jié)構(gòu)組成、指令集、控制器和其它部件、單部件測(cè)試、系統(tǒng)組裝和系統(tǒng)測(cè)試等環(huán)節(jié)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一個(gè)較為完整的功能程序。根據(jù)我們組的實(shí)際情況我們做的是32位五級(jí)流水MＩＰＳ指令集CPU,分為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫(xiě)回五個(gè)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的總體框圖注:1、數(shù)據(jù)通路應(yīng)予以標(biāo)注;２、可使用其它顏色突出小組特色的功能部件或結(jié)構(gòu)；3、復(fù)雜解決器可以給出多張或多層次結(jié)構(gòu)圖予以描述;4、文檔所有插圖格式為“嵌入型”,并居中。結(jié)構(gòu)圖雙擊可放大編輯設(shè)計(jì)各個(gè)功能部件的功能算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU：其功能及與外部的連接端口如下：下圖為示例功能簡(jiǎn)述:根據(jù)ID_op的值選擇相應(yīng)的操作:'ｂ0０000０:ALＵ_ｏut=A+B；//aｄｄ(ｏp[3:2]=＝0０meansＲinｓtruction)＇ｂ000001:ALU_out＝A－B;／/ｓub'b000110:ＡＬU_out=A+B；//aｄdI(op[３:２］==0１mｅanｓIinsｔrｕｃtｉｏｎ)＇b00011１:ALＵ_ｏut＝A-B；／/sｕbI'b00０100：ALU_ｏｕt=A＋B；／/stoｒe＇b0０010１:ALU_oｕt=A＋B;／/load'b0０１110:Fｌag=1;（2）程序計(jì)數(shù)器PC：插圖功能簡(jiǎn)述:1、當(dāng)pc_En為１時(shí)，pc＿ouｔ<=pc_in;否則ｐc_out＜＝pc_ouｔ；2、當(dāng)reseｔ為0時(shí),pｃ_out<=＇ｂ0;通用寄存器GR：插圖功能簡(jiǎn)述:１、當(dāng)w＿ｗRegEn置1時(shí)，regisｔｅr［w_rt]＜=w_daｔa;將w_ｄａt(yī)a讀到地址為w_rt的通用寄存器中；2、傳遞信號(hào)：Aout=ｒegisｔer[rs];Bｏut=regiｓter[rt］；（４)ＩMｅm插圖功能簡(jiǎn)述：I=ｄata[pc_out]；將地址為ｐc_out的數(shù)據(jù)讀到I并輸出。（5)ＡLU-MUX１功能簡(jiǎn)述:當(dāng)foｒwardA為00時(shí)，選擇A=IDｏuｔA；為01時(shí)，選擇A=m_ALUoｕt;為10時(shí),選擇Ａ=w＿data；（６)MemＲeg功能簡(jiǎn)述：當(dāng)Ｍeｍ_En為1時(shí)，傳遞信號(hào):w_wＲｅgEｎ＜＝m_wRｅgEn;ｗ_MeｍＲ<=m_MeｍR;w_MｅmW<=m_MｅmW;w_MｅmToReg<=ｍ_MemToＲeg;w_rt<=m＿rｔ;w_MＥMｏut<=ＯuterＤB;w_ALUout<=m_ALUｏut；(７）ALU-MUX2功能簡(jiǎn)述:當(dāng)forwａrdB為0０時(shí),選擇B=IDｏｕｔＢ；為０1時(shí),選擇B＝m_ＡLUoｕt;為１0時(shí)，選擇B=w_data;（8)ReｇＭUX功能簡(jiǎn)述：當(dāng)op[２]為0時(shí)，選擇BIout=Bouｔ;否則選擇BIout＝Eｘ_I;(9）Mｅm_MUX功能簡(jiǎn)述：當(dāng)w_ＭemToＲeｇa為1時(shí),選擇w_ｄata=w＿ＡＬUouｔ;否則w_dａt(yī)ａ＝ｗ_MＥMｏut；（１０）EX＿M(jìn)ｅｍRｅｇ功能簡(jiǎn)述：當(dāng)Ex＿Ｅn時(shí)傳遞信號(hào):m＿wRegEn<=ID_wRｅgEn；ｍ_MemR＜=ID_MemR;m_MemW＜＝ＩＤ_MemW;m＿M(jìn)emToReｇ<=ID_MemToRｅg;m_ALＵｏut＜＝ＡLＵ_out;m_RBｄata<=Ｂ；m_rt<＝e_rｔ；(11)PＣ＿M(jìn)UＸ功能簡(jiǎn)述：PＣ控制信號(hào)選擇,當(dāng)ｆlag為1時(shí)選擇ＰC_ouｔ2信號(hào)，否則選擇PC＿ｏｕt1信號(hào)。(1２)IF＿Rｅg功能簡(jiǎn)述:1、IF_Ｅn置1時(shí)取指；2、取指后將PC_out１和Ｉ輸出;3、pc_oｕｔ３<=pc＿out１;Iｍm＜=I[15：0];op＜=I[31：26];rs<=I[2５：2１］;rt<=I[2０：１6];ｒd＜＝Ｉ[15:1１］;shaｍｔ<=I[１0:6];func<=I[5:0];（13)PC＿AｄｄＩmm功能簡(jiǎn)述：(１4)ID_ExReg功能簡(jiǎn)述:1、ＩD_En置1時(shí)ID_ExRｅｇ工作;２、BIoｕt和Aout是兩個(gè)操作數(shù)的輸入;３、ＰC_ｏuｔ3信號(hào)決定指令類(lèi)型;(1５）MEＭ功能簡(jiǎn)述：1、通過(guò)OoｕteｒDB信號(hào)將ＭEＭ內(nèi)的內(nèi)容通過(guò)MemＲｅｇ讀到RｅgＡｒraｙ；2、通過(guò)m_ＲBｄａt(yī)a信號(hào)將RegArｒay內(nèi)的內(nèi)容寫(xiě)到ＭEM里；3、通過(guò)ｍem＿addｒ信號(hào)將執(zhí)行后的結(jié)果寫(xiě)MEM里;4、通過(guò)w＿M(jìn)emR和w＿M(jìn)emW使能信號(hào)控制MＥM的讀寫(xiě)。(１6)PC_Add功能簡(jiǎn)述：每次執(zhí)行指令之前，PC_Add將PC的值加1以ＰＣ_ｏｕt１傳到IF_Rｅg。指令系統(tǒng)注:１、字體格式，宋體、小4號(hào);2、可用顏色標(biāo)注特色指令。指令表指令操作碼(IR＿in［7:3])代碼指令指令含義００00０0ADＤA加B結(jié)果存到RegＡrray000001SＵBA減B結(jié)果存到ＲegAｒray000110AｄdIＡ加立即數(shù)結(jié)果存到RegＡrray００0111ＳUＢIＡ減立即數(shù)結(jié)果存到RegArraｙ０00100Ｓtore將ＲegAｒray中的值存到ＭEMａA０00101LOＡD將MEM里的值載入ＲegＡrｒaｙ0０1110JUMP11１1１１ＮＯP空操作控制器描述控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給出信號(hào)編碼表。注：1、字體格式，宋體、小4號(hào)。oｐ指令第一拍第二拍第三拍第四拍第五拍00０0０0ADDpｃ_out3＜＝pc_ｏuｔ1；Ｉmｍ<=Ｉ[１5:０］;op<=I[3１:２６]rs＜=Ｉ[25:2１］;ｒt＜＝I［20:１6］;rｄ<=I[15：1１];shamt＜=I[10:6];funｃ＜＝I[5:0]；e_ｒt<=rd;IＤ＿ｏp＜＝ｏｐ;IＤ_fｕｎc<＝func;ＩＤ_ｓhamt<=sｈaｍt;IDoutB<=ＢIｏuｔ;B＝ＩDoｕtB;A＝IDouｔＡ;ｍ_AＬUout<=ALU_ｏutｗ_ALＵoｕt<=m_ＡＬUｏuｔw＿data=w＿ＡＬUｏut;000001００0１１00001110０01000０0101001１1011１1１1指令每一拍中使能信號(hào)的值：指令op第一拍第二拍第三拍第四拍第五拍ＡＤＤ0000０PＣ_En=1ＩD_En=１ＦorwaｒdＡ＝00ｍ_MEM_Ｒ=0w＿M(jìn)emＴoＲeg＝1ＩF_Ex=1w_adｄr=1ForwardB=00ｍ_MEM_Ｗ=０ｗ＿wRegEn=１ＳUB０000０１ＰC_Ｅn＝１IＤ_En=1ForwarｄA=00m＿M(jìn)ＥM_R=0w_MｅｍToＲｅg＝１IF_Ex=１w_ａddｒ=1ForwaｒdB=00ｍ_ＭEM_W=0ｗ_ｗRｅgEｎ=１ADＤI0001１0PＣ＿Eｎ=1IＤ_Eｎ＝１ForwａrdA=0０m_MEM＿R＝0w_MemToRｅg＝1IF_Ex=1ｗ_ａddr=0ＦorｗardB＝0０m_MEM_W=０w_wRｅgEn=1ＳUBI00０11１P(pán)C_En=1ID_En=1ForｗａrdA=０0m_MEM_Ｒ=０w_MemTｏRｅg＝１IF＿Ｅx＝1ｗ_addr=０ForwardB=00m_ＭEM_W=０ｗ_wRegＥn=1Ｓtoｒe000100PC＿En=1ID_En＝1FoｒｗardA=００m＿ＭＥM＿R=０w＿M(jìn)emＴoReg=1IF_Ex=1w_aｄｄｒ=0ＦorwardB=00m_MＥM_W=1w_ｗRegEn＝0Ｌｏad００0101PC_Ｅn=1IＤ_En=1FoｒwaｒdA=00m_MEM_Ｒ=1w_ＭｅｍToRｅg＝0ＩＦ＿Eｘ＝１w＿ａddｒ＝０ForwardＢ=00m_MＥM＿Ｗ=0w_wRｅｇEn＝1J0０1110ＮＯP１11111系統(tǒng)測(cè)試描述部件以及整機(jī)的測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果，并分析和總結(jié)測(cè)試結(jié)果。注:１、字體格式,宋體、小４號(hào);2、無(wú)需給出每個(gè)部件的測(cè)試,只需關(guān)鍵或者特色指令和部件的測(cè)試過(guò)程即可，此外，也可給出整機(jī)的測(cè)試結(jié)果。特色和創(chuàng)新相比練習(xí)2給出的示例解決