計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)FIFO存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)信息樓418實(shí)驗(yàn)日期2015.10一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誇IFO 存儲(chǔ)器的工作特性和讀寫(xiě)方法二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC、唐都實(shí)驗(yàn)箱三、 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)用 FPGA 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 8 位×4 的 FIFO，器件的接口信號(hào)如圖 3-2-1，內(nèi)部邏輯圖如下圖 3-2-2。其各信號(hào)的功能為：EMPTY：FIFO 存儲(chǔ)器空標(biāo)志，高電平有效。FULL：FIFO 存儲(chǔ)器滿標(biāo)志，高電平有效。RST：清 FIFO 存儲(chǔ)器為空。FIFOWR：FIFO 存儲(chǔ)器寫(xiě)入信號(hào)，低電平有效。FIFORD：FIFO 存儲(chǔ)器讀信號(hào)，低電平有效。ID0

2、ID7：FIFO 存儲(chǔ)器輸入數(shù)據(jù)線。OD0OD7：FIFO 存儲(chǔ)器輸出數(shù)據(jù)線。四、 實(shí)驗(yàn)操作及運(yùn)行結(jié)果1、按實(shí)驗(yàn)連接圖接線。注意：連線時(shí)實(shí)驗(yàn)箱電源要處于關(guān)閉狀態(tài)。2、確保接線正確后，將實(shí)驗(yàn)箱連到電腦：電源線+串口電纜（com口）+并口Jtag下載線（打印機(jī)口），并打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱電源。3、在軟件Quartus II 8.0中選擇“File->Open Project”選項(xiàng)，按照以下路徑查找實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:TangDuCMXFPGAFIFOFIFO.qpf(.sof)”（該路徑為“FIFO實(shí)驗(yàn)”的全路徑，以后每次試驗(yàn)都需要用到的公共路徑名為“C:TangDuCMXFPG

3、A”），打開(kāi)該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項(xiàng)，單擊“Start”完成下載。如果下載成功在界面Progress中可以看到100%的標(biāo)志字樣。4、運(yùn)行結(jié)果接線圖中B03 和B04 是FIFO 空狀態(tài)、滿狀態(tài)指示信號(hào)，分別接到擴(kuò)展單元指示燈E0、E1 上，用來(lái)反映FIFO 當(dāng)前的狀態(tài)。1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，按動(dòng)系統(tǒng)右下腳的CLR 清零開(kāi)關(guān)可使讀、寫(xiě)信號(hào)計(jì)數(shù)清零。這時(shí)指示燈E0 亮，表示FIFO 為空。2）使用CON 單元編號(hào)為SD27 到SD20 的開(kāi)關(guān)模擬輸入總線給出一個(gè)數(shù)據(jù)，按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)ST，可將該數(shù)寫(xiě)入到FIFO 中。這時(shí)指示燈E0 滅，表示FIFO 中已經(jīng)有數(shù)據(jù)存在，說(shuō)

4、明當(dāng)前FIFO 的輸出是有效的；依次寫(xiě)四次后，滿標(biāo)志置位，這時(shí)指示燈E1亮。3）然后連續(xù)按動(dòng)開(kāi)關(guān)KK，給出讀信號(hào)，將順序讀出所存的四個(gè)數(shù)，擴(kuò)展總線的數(shù)據(jù)顯示燈EB7 到EB0 顯示所讀出的數(shù)據(jù)，四個(gè)數(shù)全部讀出后，空標(biāo)志置位，E0燈亮。檢查執(zhí)行是否與理論值一致。五、 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法在實(shí)驗(yàn)中我們小組遇到了安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)程序的問(wèn)題，后參照老師給予的文檔成功安裝了驅(qū)動(dòng)程序。在連線過(guò)程中，有一根線出現(xiàn)了短路，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)行錯(cuò)誤，后經(jīng)我們排查后發(fā)現(xiàn)，其中的一根導(dǎo)線斷裂，更換后，成功運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。 我餓們這次實(shí)驗(yàn)掌握FIFO 存儲(chǔ)器的工作特性和讀寫(xiě)方法，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，提高了小組成員的動(dòng)手能

5、力，收獲很大。實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)多通路運(yùn)算器和寄存器堆實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)信息樓418實(shí)驗(yàn)日期2015.10一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆斩嗤返倪\(yùn)算器與寄存器堆的工作原理及設(shè)計(jì)方法2、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC、唐都實(shí)驗(yàn)箱3、 實(shí)驗(yàn)原理從 IN 單元讀入一個(gè)數(shù)據(jù)，存入 R0；從 IN 單元讀入另一個(gè)數(shù)據(jù)，存于 R1；將 R0 和 R1 相加，結(jié)果存于 R0；將 R0 和 R1 相加，結(jié)果存于 R3，同時(shí)打入暫存器 A 中；再將 R0 的值送 OUT 單元顯示。根據(jù)指令要求，得出用時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)描述，即得出其有限狀態(tài)機(jī)，如圖 1-2-4 所示。下面分析每個(gè)狀態(tài)中的基本操作：S0：空操作，系統(tǒng)復(fù)位后的狀態(tài)S1：IN->R0;從 I

6、N 單元往 R0 中打一個(gè)數(shù)S2：IN->R1; 從 IN 單元往 R1 中打一個(gè)數(shù)S3：R0 ->A, R1 ->B;同時(shí)把 R0、R1 中的數(shù)打入暫存器 A、B 中S4：A+B->R0;將 A+B 的結(jié)果送往 R0S5：A+B->R3，A+B->A; 增加暫存器旁路，將 A+B 的結(jié)果送往 R3 的同時(shí)打入暫存器 A中S6：R0->OUT;把 R0 中的數(shù)送入輸出單元顯示。4、 實(shí)驗(yàn)操作及運(yùn)行結(jié)果1、把時(shí)序與操作臺(tái)單元的“MODE”短路塊插上，使系統(tǒng)工作在四節(jié)拍模式，按實(shí)驗(yàn)連接圖接線。注意：連線時(shí)實(shí)驗(yàn)箱電源要處于關(guān)閉狀態(tài)。2、確保接線正確后，將實(shí)驗(yàn)

7、箱連到電腦：電源線+并口Jtag下載線（打印機(jī)口），并打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱電源。3、在軟件Quartus II 8.0中選擇“File->Open Project”選項(xiàng)，按照以下路徑查找實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:TangDuCMXFPGAALU&REG ALU&REG.qpf(.sof)”，打開(kāi)該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項(xiàng)，單擊“Start”完成下載。如果下載成功在界面Progress中可以看到100%的標(biāo)志字樣。4、用串口電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和電腦打印機(jī)口，接通電源，打開(kāi)軟件CMX，進(jìn)行串口測(cè)試（如果串口線未連接或者串口線故障則自動(dòng)彈出錯(cuò)誤信息對(duì)話

8、框）：端口串口選擇COM1或者COM2；然后，測(cè)試串口通訊是否成功：端口串口測(cè)試。5、如果串口通訊成功，在PC 機(jī)上運(yùn)行TD-CMX，進(jìn)入聯(lián)機(jī)軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí) 實(shí)驗(yàn)連接圖驗(yàn)】【ALU&REG實(shí)驗(yàn)】”，打開(kāi)數(shù)據(jù)通路圖。6、首先按CON單元的開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)清零，狀態(tài)機(jī)為態(tài)。然后，采用單節(jié)拍運(yùn)行方式來(lái)觀察數(shù)據(jù)流通。1）用連接成的雙通道雙端口運(yùn)算器和雙端口寄存器堆的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以下一段程序：從IN 單元讀入一個(gè)數(shù)據(jù)，存入R0；從IN 單元讀入另一個(gè)數(shù)據(jù)，存于R1；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R0；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R3，同時(shí)打入暫存器A 中；再將R0 的值送OUT 單元顯示

9、2）根據(jù)指令要求，得出用時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)描述，即得出其有限狀態(tài)機(jī)S0：空操作，系統(tǒng)復(fù)位后的狀態(tài)S1：IN->R0;從IN 單元往R0 中打一個(gè)數(shù)S2：IN->R1; 從IN 單元往R1 中打一個(gè)數(shù)S3：R0 ->A, R1 ->B;同時(shí)把R0、R1 中的數(shù)打入暫存器A、B 中S4：A+B->R0;將A+B 的結(jié)果送往R0S5：A+B->R3，A+B->A; 增加暫存器旁路，將A+B 的結(jié)果送往R3 的同時(shí)打入暫存器A中S6：R0->OUT;把R0 中的數(shù)送入輸出單元顯示3）每個(gè)狀態(tài)運(yùn)行4個(gè)周期（T1T4），即每個(gè)狀態(tài)按次單節(jié)拍運(yùn)行按鈕。請(qǐng)?jiān)赟

10、1和S2狀態(tài)，通過(guò)單元的開(kāi)關(guān)分別輸入兩個(gè)數(shù)（比如和）。觀察數(shù)據(jù)通路圖中數(shù)據(jù)的變化，并檢查是否與狀態(tài)的描述相符合。最后觀察OUT液晶單元是否顯示正確（如果從IN單元輸入的兩個(gè)數(shù)分別為1和3，則OUT單元輸出應(yīng)該為4）。五、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法在實(shí)驗(yàn)中我們小組連接完線路后，正常運(yùn)行，直到最后一步無(wú)法正常顯示結(jié)果，但結(jié)果已在ALU中正常顯示，卻沒(méi)辦法在out中顯示，我猜測(cè)，一定是數(shù)據(jù)總線和out總線的連接出現(xiàn)了問(wèn)題，于是我們檢查了這兩個(gè)部分，發(fā)現(xiàn)在out單元，有一根先出現(xiàn)了短路，更換導(dǎo)線后，結(jié)果正常顯示。 這次實(shí)驗(yàn)我們明白掌握多通路的運(yùn)算器與寄存器堆的工作原理及設(shè)計(jì)方法，通用軟件更加直接明了的

11、看見(jiàn)其運(yùn)行過(guò)程。收獲很大。實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)基于RISC技術(shù)的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)信息樓418實(shí)驗(yàn)日期2015.11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誖ISC 處理器的指令系統(tǒng)特征和一般設(shè)計(jì)原則二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC、唐都實(shí)驗(yàn)箱三、實(shí)驗(yàn)原理1指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)采用 RISC 思想設(shè)計(jì)的模型機(jī)選用常用的八條指令：MOV、ADD、NOT、AND、OR、 LOAD、SAVE 和 JMP 作為指令系統(tǒng)，尋址方式采用寄存器尋址及直接尋址兩種方式。指令格式采用單字節(jié)及雙字節(jié)兩種格式：?jiǎn)巫止?jié)指令（MOV、ADD、NOT、AND、OR、JMP）格式如下：其中，OP-CODE 為操作碼，RS 為源寄存器，RD 為目的寄存器，并規(guī)定： 雙字節(jié)指令（

12、LOAD、SAVE）格式如下其中括號(hào)中的 1 表示指令的第一字節(jié)，2 表示指令的第二字節(jié)，OP-CODE 為操作碼，RS為源寄存器，RD 為目的寄存器，P 為操作數(shù)地址，占用一個(gè)字節(jié)。根據(jù)上述指令格式，表 2-3-1 列出了本模型機(jī)的八條機(jī)器指令的具體格式、匯編符號(hào)和指令功能：其中 LOAD 和 SAVE 指令中的 M 位用來(lái)判斷操作的對(duì)象，當(dāng) M=0 時(shí) LOAD 和 SAVE 指令是對(duì) IO 進(jìn)行操作，當(dāng) M=1 時(shí) LOAD 和 SAVE 指令是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。系統(tǒng)采用外設(shè)和主存儲(chǔ)器各自獨(dú)立編碼的編址方式，I/O 譯碼單元由采用地址總線高兩位作二四譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖 2-3-1 所

13、示。由于用的是地址總線的高兩位進(jìn)行譯碼，I/O 地址空間被分為四個(gè)區(qū)，如表 2-3-2 所示：2RISC 處理器的模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本處理器的時(shí)鐘及節(jié)拍電位如圖 2-3-2 所示，數(shù)據(jù)通路圖如圖 2-3-3 所示，是采用雙總線結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建 RISC 處理器的，其指令周期流程圖可設(shè)計(jì)如圖 2-3-4 所示，在通路中除控制器單元由FPGA 單元來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)外，其它單元全是由這里實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的單元電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 3 控制器設(shè)計(jì)（1）數(shù)據(jù)通路圖中的控制器部分需要在 FPGA 中設(shè)計(jì)。（2）用 VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì) RISC 子模塊的功能描述程序，頂層原理圖如圖 2-3-5：4、 實(shí)驗(yàn)操作及運(yùn)行結(jié)果1、把時(shí)序與

14、操作臺(tái)單元的“MODE”短路塊拔掉，使系統(tǒng)工作在三節(jié)拍模式，按實(shí)驗(yàn)連接圖接線。注意：連線時(shí)實(shí)驗(yàn)箱電源要處于關(guān)閉狀態(tài)。2、確保接線正確后，將實(shí)驗(yàn)箱連到電腦：電源線+并口Jtag下載線（打印機(jī)口），并打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱電源。3、在軟件Quartus II 8.0中選擇“File->Open Project”選項(xiàng)，按照以下路徑查找實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:TangDuCMXFPGARISC RISC.sof”，打開(kāi)該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項(xiàng)，單擊“Start”完成下載。如果下載成功在界面Progress中可以看到100%的標(biāo)志字樣。4、用串口電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和電腦

15、打印機(jī)口，接通電源，打開(kāi)軟件CMX，進(jìn)行串口測(cè)試（如果串口線未連接或者串口線故障則自動(dòng)彈出錯(cuò)誤信息對(duì)話框）：端口串口選擇COM1或者COM2；然后，測(cè)試串口通訊是否成功：端口串口測(cè)試。5、如果串口通訊成功，在PC 機(jī)上運(yùn)行TD-CMX，進(jìn)入聯(lián)機(jī)軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí) 實(shí)驗(yàn)連接圖驗(yàn)】【RISC實(shí)驗(yàn)】”，打開(kāi)數(shù)據(jù)通路圖。6、在CMX軟件界面中，通過(guò)選擇【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】將文件C:TangDuCMXSampleRISC模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).txt 裝入指令區(qū)。數(shù)據(jù)裝載成功會(huì)在輸出區(qū)有提示信息。7、上述txt文件將以下程序段讀入指令區(qū)： 地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說(shuō)明00 50 LOAD INR0

16、01 40 02 51 LOAD INR103 40 04 06 MOV R1R205 18 ADD R0+R2R006 60 SAVE R0OUT07 8008 58 LOAD 10R009 100A 70 JMP R0PC10 00實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流通圖8、采用兩種方法來(lái)觀察數(shù)據(jù)流動(dòng)：1）將時(shí)序與操作單元的開(kāi)關(guān)KK1、KK3置為運(yùn)行檔，開(kāi)關(guān)KK2置為單拍檔。先按動(dòng)CON單元的總清零開(kāi)關(guān)CLR，程序從00H地址開(kāi)始運(yùn)行。按動(dòng)ST按鈕單步運(yùn)行，每按動(dòng)一次按鈕，觀察數(shù)據(jù)流通圖，分析數(shù)據(jù)與控制信號(hào)是否正確（是否實(shí)現(xiàn)了第步的程序段功能）。在執(zhí)行程序時(shí)，需要在IN單元輸入兩個(gè)數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)最開(kāi)始的兩條LOAD指令，IN輸入的數(shù)據(jù)分別送入R0、R1）。）采用單節(jié)拍運(yùn)行方式來(lái)觀察數(shù)據(jù)流通。每條