實(shí)驗(yàn)2IP核集成替換CPU

實(shí)驗(yàn)2IP核集成替換CPU第一頁，共37頁。CourseOutline第二頁，共37頁。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握CPU的核心組成結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)通路與控制器2.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路的ALU功能部件3.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路的寄存器功能部件3第三頁，共37頁。實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.計(jì)算機(jī)（IntelCorei5以上，4GB內(nèi)存以上）系統(tǒng)

2.Spartan-3StarterKitBoard開發(fā)板

3.XilinxISE14.4及以上開發(fā)工具材料

無4第四頁，共37頁。CourseOutline第五頁，共37頁。實(shí)驗(yàn)任務(wù)1.用IP核集成CPU并替換實(shí)驗(yàn)三的CPU核此實(shí)驗(yàn)在Exp03的基礎(chǔ)上完成2.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路部件并作時(shí)序仿真：ALURegisterFiles 6第六頁，共37頁。課程大綱第七頁，共37頁。各次實(shí)驗(yàn)的思維體系第八頁，共37頁。第九頁，共37頁。d=fun(a,b);4a: 60910202 lds r22,0x02024e: 70910302 lds r23,0x020352: 80910002 lds r24,0x020056: 90910102 lds r25,0x02015a: 0e943800 call 0x70 ;0x70<fun>5e: 20910802 lds r18,0x020862: 3327 eor r19,r1964: 27fd sbrc r18,766: 3095 com r1968: 280f add r18,r246a: 391f adc r19,r25指令部分?jǐn)?shù)據(jù)通道部分部分第十頁，共37頁。CPU控制器部分?jǐn)?shù)據(jù)通道第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)第四次實(shí)驗(yàn)第十一頁，共37頁。第三次實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)通道部分第十二頁，共37頁。第四次實(shí)驗(yàn)：控制器部分（指令譯碼）第十三頁，共37頁。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存輸入輸出設(shè)備控制單元數(shù)據(jù)通路ALU運(yùn)算器寄存器多路選擇器……硬件軟件輸入:PS2鼠標(biāo)、SW開關(guān)、BUT按鍵輸出:VGA接口、7段譯碼管、LED燈顯示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第十四頁，共37頁。CPU部件之1-數(shù)據(jù)通路：Data_path數(shù)據(jù)通路CPU主要部件之一基本功能具有通用計(jì)算功能的算術(shù)邏輯部件具有通用目的寄存器具有通用計(jì)數(shù)所需的盡可能的路徑本實(shí)驗(yàn)用IP軟核-Data_path核調(diào)用模塊Data_path.ngc核接口信號模塊(空文檔)：Data_path.v核模塊符號文檔：Data_path.sym第十五頁，共37頁。CPU部件之2-控制器：SCPU_ctrlSCPU_ctrlCPU主要部件之一基本功能指令譯碼產(chǎn)生操作控制信號：ALU運(yùn)算控制產(chǎn)生指令所需的路徑選擇本實(shí)驗(yàn)用IP軟核-SCPU_ctrl核調(diào)用模塊SCPU_ctrl.ngc核接口信號模塊(空文檔)：SCPU_ctrl.v核模塊符號文檔：SCPU_ctrl.sym第十六頁，共37頁。數(shù)據(jù)通道子模塊

1.ALU運(yùn)算器部分

2.Registers部分第十七頁，共37頁。數(shù)據(jù)通路的功能部件之一：ALU實(shí)現(xiàn)5個(gè)基本運(yùn)算整理邏輯實(shí)驗(yàn)八的ALU邏輯圖輸入并仿真ZeroResultOverflowABAluOperationALUControlLinesFunctionnote000And兼容001Or兼容010Add兼容110Sub兼容111Setonlessthan100nor擴(kuò)展101srl擴(kuò)展011xor擴(kuò)展第十八頁，共37頁。硬件描述參考代碼module

alu(inputA,B,

input[2:0]ALU_operation,

output[31:0]res, inputzero,overflow);wire[31:0]res_and,res_or,res_add,res_sub,res_nor,res_slt;

reg[31:0]res;

parameterone=32'h00000001,zero_0=32'h00000000;

assignres_and=A&B;

assignres_or=A|B;

assignres_add=A+B;

assignres_sub=A-B;

assignres_slt=(A<B)?one:zero_0;

always@(AorBorALU_operation)

case(ALU_operation) 3'b000:res=res_and; 3'b001:res=res_or; 3'b010:res=res_add; 3'b110:res=res_sub; 3'b100:res=~(A|B); 3'b111:res=res_slt;

default:res=32'hx;

endcase

assignzero=(res==0)?1:0;endmodulealways@(*)

case(ALU_operation) 3'b000:res=A&B; 3'b001:res=A|B; 3'b010:res=A+B; 3'b110:res=A-B; 3'b100:res=~(A|B);3'b111:res=(A<B)?one:zero_0;

default:res=32'hx;

endcase第十九頁，共37頁。數(shù)字系統(tǒng)的功能部件之一：Registerfiles實(shí)現(xiàn)32×32bit寄存器組優(yōu)化邏輯實(shí)驗(yàn)Regs行為描述并仿真結(jié)果端口要求二個(gè)讀端口：R_addr_AR_addr_B一個(gè)寫端口，帶寫信號Wt_addrL_S第二十頁，共37頁。CourseOutline第二十一頁，共37頁。設(shè)計(jì)工程：OExp04-IP2CPU分解CPU為二個(gè)IP核在Exp03工基礎(chǔ)上用二個(gè)IP核構(gòu)建CPU頂層模塊延用Exp03模塊名：Top_OExp04_IP2CPU.sch邏輯實(shí)驗(yàn)輸出模塊優(yōu)化ALU模塊優(yōu)化RegisterFiles模塊優(yōu)化第二十二頁，共37頁。設(shè)計(jì)要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)第一部分：IP核設(shè)計(jì)CPU--用二個(gè)第三方IP核集成CPU第二十三頁，共37頁。清理Exp03工程移除工程中的CPU核Exp03工程中移除CPU核關(guān)聯(lián)刪除工程中CPU核文件SCPU.ngc和SCPU.v文件在Project菜單中運(yùn)行：

CleanupProjectFiles…建議用Exp03資源重建工程除CPU核命名：OExp04-IP2CPUExp03需要清理的核第二十四頁，共37頁。拷貝二個(gè)IP核的Symbol文件到當(dāng)前工程目錄：增加SCPU_ctrl.sym、Data_path.sym拷貝二個(gè)IP軟核.ngc文檔到當(dāng)前工程目錄：SCPU_ctrl.ngc、Data_path.ngc接口文件SCPU_ctrl.v、Data_path.v第二十五頁，共37頁。用邏輯原理圖輸入CPU設(shè)計(jì)第二十六頁，共37頁。Ex04工程代碼結(jié)構(gòu)Exp04完成CPU設(shè)計(jì)后的模塊調(diào)用關(guān)系第二十七頁，共37頁。實(shí)驗(yàn)第二部分：邏輯原理圖輸入設(shè)計(jì)ALU第二十八頁，共37頁。邏輯原理圖輸入信號擴(kuò)展模塊注意：加減器做減法時(shí)用補(bǔ)碼是±31位為了和無符號加法兼容需要擴(kuò)展符號位定制符號非標(biāo)準(zhǔn)件第二十九頁，共37頁?？截愊铝心K符號到ALU工程目錄：（Exp01提供）and32、or32、ADC32、xor32、nor32、srl32、SignalExt_32、mux8to1_32、or_bit_32第三十頁，共37頁。ALU測試激勵(lì)參考代碼 A=32'hA5A5A5A5;

B=32'h5A5A5A5A; ALU_operation=3'b111;

#100; ALU_operation=3'b110;

#100;

ALU_operation=3'b101;

#100;

ALU_operation=3'b100; #100;

ALU_operation=3'b011;

#100;

ALU_operation=3'b010; #100;

ALU_operation=3'b001; #100;

ALU_operation=3'b000; #100;

A=32'h01234567;

B=32'h76543210; ALU_operation=3'b111;ALU模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)仿真通過后封裝邏輯符號第三十一頁，共37頁。ALU_Simulation結(jié)果參考第三十二頁，共37頁。RTL-Schematic第三十三頁，共37頁。實(shí)驗(yàn)第三部分：設(shè)計(jì)Registers組第三十四頁，共37頁。非常精練的參考代碼Moduleregs(inputclk,rst,L_S,

input[4:0]R_addr_A,R_addr_B,Wt_addr,

input[31:0]wt_data

output[31:0]rdata_A,rdata_B );reg[31:0]register[1:31]; //r1-r31integeri; assignrdata_A=(Rs_addr_A==0)?0:register[reg_Rd_addr_A]; //read assignrdata_B=(Rt_addr_B==0)?0:register[reg_Rt_addr_B]; //read always@(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst==1)for(i=1;i<