CPU实验 - 单周期MIPS处理器设计

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，多路选择器由一个always语句中的if…else if…else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(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) 目的寄存器选择信号[1:0]RegDst，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Sign，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ALUResult[5]为1或ALUResult[4]、[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.v 2、PC产生模块

assign imm16_sll_2bits = {{14{imm16[15]}},{imm16,2'b00}}; assign JT = {PC[31:28],target,2'b00}; assign ILLOP = 32'h80000004; assign XADR = 32'h80000008;

Adder add1(.A(PC),.B(4),.CIN(1'b0),.S(PC_Add_4));

Adder add2(.A(PC_Add_4),.B({imm16_sll_2bits}),.CIN(1'b0),.S(ConBA));

always @ (posedge clk or negedge reset) begin if (!reset) PC <= 32'h8000_0000; else if (PCSrc == 0) PC <= PC_Add_4; else if (PCSrc == 1 && ALUResult[0] == 1'b0) PC <= PC_Add_4; else if (PCSrc == 1 && ALUResult[0] == 1'b1) PC <= ConBA; else if (PCSrc == 2) PC <= JT;

else if (PCSrc == 3) PC <= DataBusA; else if (PCSrc == 4) PC <= ILLOP; else PC <= XADR; end 3、数据通路

ROM IF(.addr(PC),.data(Instruction));

OpcodeToControl control(.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.irq(irq),

.PC31(PC[31]),.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),.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(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),.reset(reset), .DataIn(UARTIn),.addr(ALUResult),.DataOut(UARTOut),.rdata(UARTResult));

assign MemRdData = (ALUResult[31:30] == 2'b00) ? DataMemResult :

(ALUResult[5] == 1'b1 | (ALUResult[4] && ALUResult[3])) ? 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)和00001001(9)，输出为00000011(3)； 计算结果正确，UART、led、数码管均显示正确。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/socd.html