计算机组成原理 实验五 单周期CPU设计与实现——十条指令CPU

实验二三（CPU部件实现之ALU、寄存器堆、PC、RAM）

系统硬件综合设计-多周期CPU的设计与实现

一、实验目的

通过设计并实现支持 10 条指令的 CPU，进一步理解和掌握 CPU设计的基本原理和过程。

二、实验内容

设计和实现一个支持如下十条指令的单周期CPU。

非访存指令
 清除累加器指令CLA
 累加器取反指令COM
 算术右移一位指令SHR：将累加器ACC中的数右移一位，结果放回ACC
 循环左移一位指令CSL：对累加器中的数据进行操作
 停机指令STP

访存指令
 加法指令ADD X：[X] + [ACC] –〉ACC，X为存储器地址，直接寻址
 存数指令STA X，采用直接寻址方式
 取数指令LDA X，采用直接寻址

转移类指令
 无条件转移指令JMP imm：signExt(imm) -> PC
 有条件转移（负则转）指令BAN X: ACC最高位为1则（PC）+ X -> PC,否则不变

三、实验原理

单周期 CPU 是指所有指令均在一个时钟周期内完成的 CPU。CPU 由数据通路及其控制部件两部分构成，因而要完成一个支持若干条指令 CPU 的设计， 需要依次完成以下两件事：

1. 根据指令功能和格式设计 CPU 的数据通路；

2. 根据指令功能和数据通路设计控制部件。
   

四、实验步骤

1. CPU各模块Verilog实现

PC 模块

PC 模块功能描述

输入	时钟信号 clk、重置信号 rst
输出	指令地址 pc（8 位）
功能	每个时钟上升沿 PC 的值自动加 1，并输出

源码：

module PC(
input stop,
input clk,
input rst,
input pcJMP,
input banEBL,
input ban,
input wire [7:0] data_in,
output reg [7:0] PC
);
always @(posedge clk )begin
if(rst==1) begin PC = 0;end
if(stop!=1)begin
PC = PC +1;
if(banEBL == 1) begin
if(ban == 1) begin
PC = PC + data_in;
end
end
if(pcJMP == 1 ) begin PC = data_in;end
end
end
endmodule

指令存储器模块

指令存储器模块功能描述

输入	8位指令地址Addr
输出	16位指令Ins
功能	存放待执行的指令（初始化），并根据地址输出指令

 源码：module ins(output reg[15:0] outins,input wire[7:0] adder,output reg[5:0] r1,output reg[7:0] r2,input wire clk);reg [15:0] storage [0:255];reg [15:0] temp;initial beginstorage [8'h00] = 16'h0000; //startstorage [8'h01] = 16'h0100; //clastorage [8'h02] = 16'h0200; //comstorage [8'h03] = 16'h0300; //shrstorage [8'h04] = 16'h0400; //cslstorage [8'h05] = 16'h0500; //add xstorage [8'h06] = 16'h0600; //sta xstorage [8'h07] = 16'h0701; //lda xstorage [8'h08] = 16'h0803; //jmpstorage [8'h09] = 16'h0902; //banstorage [8'h0a] = 16'hffff; //stopendalways @(adder)begin temp = storage[adder];r1 = {storage[adder][5:0]};r2 = {storage[adder][7:0]};outins = temp;endendmodule

寄存器堆

寄存器堆模块功能描述

输入	时钟信号clk、读写控制线wr_en、读寄存器编号read_reg1和 read_reg2、写寄存器编号write_reg、写入数据write_data
输出	对应两个读寄存器编号的寄存器值reg1和reg2
功能	根据读寄存器编号给出对应寄存器的值；在写允许情况下，把写入端的数据在clk下降沿写到写寄存器编号对应的寄存器

源码：

 module register(RA, RB, RW, busW, clk, WE, busA, busB, RD);
input wire [2:0] RA, RB, RW;input wire [15:0] busW;input clk, WE, RD;output reg [15:0] busA, busB;reg [15:0] Reg[7:0];always @(negedge clk)begin if(WE == 1)beginReg[RW] = busW;busA = Reg[RA];busB = Reg[RB];end else if(RD == 1)begin busA = Reg[RA];busB = Reg[RB];endendendmodule

ALU

ALU 模块功能描述

输入	操作数in1和in2、操作选择信号alu_op
输出	ALU运算结果Z
功能	根据操作选择信号计算in1和in2的运算结果Z

源码：

module alu(outalu, a, b, select);
output [15:0] outalu;
input [15:0]a, b;
input [2:0]select;
reg [15:0] outalu;
always @(\*)
case(select)
3'b000: outalu = a + b;
3'b001: outalu = a - b;
3'b010: outalu = a&b;
3'b011: outalu = a\|b;
3'b100: outalu = a\<\<b;
3'b101: outalu = a\>\>b;
3'b110: outalu = a\*b;
3'b111: outalu = a%b;
default: outalu = 16'b1111111111111111;
endcase
endmodule

CU

控制单元模块功能描述

输入	指令（操作码）
输出	寄存器堆的读写控制线wr_en、ALU的操作选择信号alu_op
功能	根据当前指令功能对wr_en和alu_op赋值

源码：

module cu(
input wire[7:0] accout,
input wire [15:0] outins,
output reg stop,
output reg [1:0]accop,
output reg ena,
output reg [2:0] aluop,
output reg enable,
output reg pcJMP,banEBL,ban
);
always @\* begin
case(outins[15:8])
8'h00:
begin
stop = 0;
end
8'hff:
begin
stop = 1;
end
8'h01:
begin
ena = 1;
accop = 2'b00;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h02:
begin
ena = 1;
accop = 2'b01;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h03:
begin
ena = 1;
accop = 2'b10;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h04:
begin
ena = 1;
accop = 2'b11;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h05:
begin
ena = 1;
enable = 0;
aluop = 3'b000;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h06:
begin
ena = 1;
enable = 1;
banEBL = 0;
pcJMP=0;
end
8'h07:
begin
ena = 1;
enable = 0;
banEBL = 0;
pcJMP = 0;
end
8'h08:
begin
pcJMP = 1 ;
end
8'h09:
begin
banEBL = 1 ;
if(accout[7] == 1)
begin
ban = 1 ;
end
end
endcase
end
endmodule

2. CPU顶层文件封装实现

通过将以上定义的模块进行连接、封装就得到了目标
CPU，该CPU的输入为系统时钟信号clk和重置信号 reset。

源码：

module cpu(
input clk,
input rst,
output wire [7:0] pc
);wire [2:0] RA, RB, RW;
wire [15:0] busW;
wire WE, RD;
wire [15:0] busA, busB;
wire [15:0] accout;
wire [2:0] aluop;
wire stop, pcJMP, banEBL, ban, ena, enable;
wire [15:0] outins;
wire [1:0] accop;
wire [5:0] r1;
wire [7:0] r2;
wire [15:0] dataout, out1, out2;
alu malu(.outalu(out1),.a(accout),.b(out2),.select(aluop));pc
mpc(.stop(stop),.clk(clk),.rst(rst),.pcJMP(pcJMP),.banEBL(banEBL),.ban(ban),.data_in(r2),.pc(pc));ins mins(.outins(outins),.adder(pc),.r1(r1),.r2(r2),.clk(clk));cu
mcu(.accout(accout),.outins(outins),.stop(stop),.accop(accop),.ena(ena),.aluop(aluop),.enable(enable),.pcJMP(pcJMP),.banEBL(banEBL),.ban(ban));acc myacc(.ena(ena),.accop(accop),.accin(out1),.acc(accout));register mregister(RA, RB, RW, busW, clk, WE, busA, busB, RD);Datastorage
mDatastorage(.address(r1),.enable(enable),.clk(clk),.dataout(dataout),.datain(accout));endmodule

3. CPU模拟仿真

为了仿真验证所实现的
CPU，需要定义测试文件并在测试文件中对指令存储器和寄存器堆中的相应寄存器的值进行初始化，并通过仿真波形图查看是否指令得到了正确执行。

源码：

 module MyCPU_tb;parameter CYCLE = 32;reg clk;wire [7:0] PC;reg rst;
cpu MyCPU(clk, rst, PC);initial clk = 0;always \#(CYCLE/2) clk = \~ clk;initial beginclk = 1;rst = 0;(CYCLE\*1) clk = 1;rst = 1;
(CYCLE\*2) rst = 0;
(CYCLE\*3) rst = 0;
(CYCLE\*4) rst = 0;
(CYCLE\*5) rst = 1;
(CYCLE\*6) rst = 0;
(CYCLE\*7) rst = 0;
(CYCLE\*8) rst = 0;(CYCLE\*9) rst = 1;(CYCLE\*9)rst = 0;force MyCPU.r1 = 7'h5;force MyCPU.r2 = 8'h9;(CYCLE\*10)force MyCPU.outins = 16'h0600;force MyCPU.banEBL = 1;(CYCLE\*12)force MyCPU.accout[7] = 1;force MyCPU.r2 = 16'h2;(CYCLE\*13)force MyCPU.outins = 16'h0902;(CYCLE\*14)force MyCPU.outins = 16'hffff;(CYCLE\*20)stop;endendmodule

五、modelSim仿真结果

清除累加器指令CLA

执行指令前，如图5.1所示：

图5.1

执行指令后，如图5.2所示：

图5.2

累加器取反指令COM

执行指令前，如图5.3所示：

图5.3

执行指令后，如图5.4所示：

图5.4

算术右移一位指令SHR：将累加器ACC中的数右移一位，结果放回ACC

执行指令前，如图5.5所示：

图5.5

执行指令后，如图5.6所示：

图5.6

循环左移一位指令CSL：对累加器中的数据进行操作

执行指令前，如图5.7所示：

图5.7

执行指令后，如图5.8所示

图5.8

停机指令STP

执行指令前后如图5.9所示

图5.9

加法指令ADD X：[X] + [ACC] –〉ACC，X为存储器地址，直接寻址

执行指令前后，如图5.10所示：

图5.10

存数指令STA X，采用直接寻址方式

执行指令前，如图5.11所示：

图5.11

执行指令后，如图5.12所示

图5.12

取数指令LDA X，采用直接寻址

指令执行前后如图5.13所示：

图5.13

无条件转移指令JMP imm：signExt(imm) -> PC

指令执行前后，如图5.14所示：

图5.14

有条件转移（负则转）指令BAN X: ACC最高位为1则（PC）+ X -> PC,否则PC不变

指令执行前后如图5.15所示：

图5.15

六、实验结果分析

清除累加器指令 CLA：执行清除累加器指令 CLA 前，程序计数寄存器ACC为不确定状态，ACC 处于待机状态；执行 CLA 后，0000 被送入ACC 中，CPU可以开始执行程序。如图 5.1 与图 5.2 所示。

累加器取反指令 COM：执行累加器取反指令 COM 前，ACC 的输出accout 为 0000H；执行后COM 后，accout 跳变为 FFFFH，ACC 的内容被成功取反输出。如图 5.3 与图 5.4 所示。

算术右移一位指令 SHR：执行算术右移一位指令 SHR 前，ACC 的输出accout 为FFFFH；执行 SHR 后，accout 跳变为 7FFFH，ACC 的内容被成功右移一位。如图 5.5 与图5.6所示。

循环左移一位指令 CSL：执行循环左移一位指令 CSL 前，ACC 的输出accout 为7FFFH；执行 CLS 后，accout 跳变为 FFFEH，ACC 的内容被成功循环左移一位。如图 5.7与图 5.8 所示。

停机指令STP：执行停机指令STP后，PC停止工作，outins赋值为FFFFH。如图 5.9所示。

加法指令 ADD X：执行加法指令 ADD X 前，程序计数器寄存器 ACC 的值为 9H，r1 为5H，r2 为 9H；执行 ADD X 后，ACC 的值为 13H，即(r2)+(ACC)->ACC,ACC+1->ACC。如图 5.10所示。

存数指令 STA X：执行存数指令 STA X 前，存储器 dataout 为不确定状态；执行 STA X后，因 ACC=06H，传送給 ALU 的指令为 0B，因此ACC 中的数据 FFFEH在下一个时钟下降沿传送給 dataout。如图 5.11与图 5.12 所示。

取数指令 LDA X：执行取数指令 LDA X 前，程序计数器寄存器 ACC的值为 06H；执行 LDAX 后，因 accop=3H，所以依然执行(ACC)+1->ACC，因此 ACC的值在下一个时钟下降沿变为 07H。如图5.13 所示。

无条件转移指令 JMP imm：执行无条件转移指令 JMP imm 前，程序计数器寄存器 ACC的值为 07H，pcJMP=1H，允许无条件跳转；执行JMP imm后outins=0803H，ins=03H，所以在下一个时钟上升沿，ACC 跳变到 03H。如图 5.14所示。

有条件转移（负则转）指令 BAN X：执行有条件转移（负则转）指令BAN X前，程序计数器寄存器 ACC 的值为04H，r2=02H，ban=1，允许有条件跳转，；执行有条件转移（负则转）指令 BAN X 后，(ACC)+(r2)->ACC，(ACC)+1->ACC，所以在下一个时钟上升沿，ACC 跳变为 07H。如图5.15所示。

七、后记

实验二三（CPU部件实现之ALU、寄存器堆、PC、RAM）

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