實(shí)驗(yàn)2 IP核集成替換CPU

1、Computer Organization & Design柳星柳星College of Computer Science and Technology, Zhejiang UComputer Organization & Design實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二二集成替換集成替換CPU核核 -IP核設(shè)計(jì)核設(shè)計(jì)CPUCourse Outline實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)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實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. 計(jì)算機(jī)（Intel

2、 Core i5以上，4GB內(nèi)存以上）系統(tǒng) 2. Spartan-3 Starter Kit Board開發(fā)板3. Xilinx ISE14.4及以上開發(fā)工具材料無4Course Outline實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)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：ALURegister Files6課程大綱實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)各次實(shí)驗(yàn)的思維體系 d = fun(a, b);

3、4a:60 91 02 02 ldsr22, 0 x0202 4e:70 91 03 02 ldsr23, 0 x0203 52:80 91 00 02 ldsr24, 0 x0200 56:90 91 01 02 ldsr25, 0 x0201 5a:0e 94 38 00 call0 x70; 0 x70 5e:20 91 08 02 ldsr18, 0 x0208 62:33 27 eorr19, r19 64:27 fd sbrcr18, 7 66:30 95 comr19 68:28 0f addr18, r24 6a:39 1f adcr19, r25指令部分?jǐn)?shù)據(jù)通道部分部分CPU

4、控制器部分控制器部分?jǐn)?shù)據(jù)通道數(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)第三次實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)通道部分第三次實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)通道部分第四次實(shí)驗(yàn)：控制器部分（指令譯碼）第四次實(shí)驗(yàn)：控制器部分（指令譯碼）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存內(nèi)存輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備控制單元控制單元數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路ALU運(yùn)算器運(yùn)算器寄存器寄存器多路選擇器多路選擇器 硬件硬件軟件軟件輸入輸入: PS2鼠標(biāo)、鼠標(biāo)、SW開關(guān)、開關(guān)、BUT按鍵按鍵輸出輸出: VGA接口、接口、7段譯碼管、段譯碼管、LED燈顯示燈顯示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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

5、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(hào)模塊(空文檔)：Data_path.v核模塊符號(hào)文檔：Data_path.symCPU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(hào)：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(hào)模塊(空文檔)：SCPU_ctrl.v核模塊符號(hào)文檔：SCPU_ctrl.sym數(shù)據(jù)通道子模塊1. ALU運(yùn)算器部分2. Registers部分?jǐn)?shù)據(jù)通路的功能部

6、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ZeroResultOverflowABAlu OperationALU Control LinesFunctionnote000And兼容兼容001Or兼容兼容010Add兼容兼容110Sub兼容兼容111Set on less than100nor擴(kuò)展擴(kuò)展101srl擴(kuò)展擴(kuò)展011xor擴(kuò)展擴(kuò)展硬件描述參考代碼module alu(input A, B, input2:0 ALU_operation, output31:0 res, input zero, overflow); wire 31:0 res_and,res_

7、or,res_add,res_sub,res_nor,res_slt; reg 31:0 res; parameter one = 32h00000001, zero_0 = 32h00000000; assign res_and = A&B; assign res_or = A|B; assign res_add = A+B; assign res_sub = A-B; assign res_slt =(A B) ? one : zero_0; always (A or B or ALU_operation) case (ALU_operation) 3b000: res=res_a

8、nd; 3b001: res=res_or; 3b010: res=res_add; 3b110: res=res_sub; 3b100: res=(A | B); 3b111: res=res_slt; default: res=32hx; endcase assign zero = (res=0)? 1: 0;endmodulealways (*)case (ALU_operation) 3b000: res=A&B; 3b001: res=A|B; 3b010: res=A+B; 3b110: res=A-B; 3b100: res=(A | B); 3b111: res=(A

9、B) ? one : zero_0; default: res=32hx; endcase數(shù)字系統(tǒng)的功能部件之一：Register files實(shí)現(xiàn)3232bit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(hào)Wt_addrL_SCourse Outline實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)現(xiàn)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)

10、驗(yàn)輸出模塊優(yōu)化ALU模塊優(yōu)化Register Files模塊優(yōu)化設(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：Cleanup Project Files 建議用Exp03資源重建工程除CPU核命名：OExp04-IP2CPUExp03需要清理的核拷貝二個(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.n

11、gc、Data_path.ngc接口文件SCPU_ctrl.v、Data_path.v用邏輯原理圖輸入CPU設(shè)計(jì)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)系實(shí)驗(yàn)第二部分：邏輯原理圖輸入設(shè)計(jì)ALU邏輯原理圖輸入信號(hào)擴(kuò)展模塊注意：加減器做減法時(shí)用補(bǔ)碼是注意：加減器做減法時(shí)用補(bǔ)碼是3131位位為了和無符號(hào)加法兼容需要擴(kuò)展符號(hào)位為了和無符號(hào)加法兼容需要擴(kuò)展符號(hào)位定制符號(hào)非標(biāo)準(zhǔn)件拷貝下列模塊符號(hào)到ALU工程目錄：（Exp01提供）and32、or32、ADC32、xor32、nor32、srl32、SignalExt_32、mux8to1_32、or_bit_32ALU測(cè)試激勵(lì)參考代碼A

12、=32hA5A5A5A5;B=32h5A5A5A5A;ALU_operation =3b111;#100;ALU_operation =3b110;#100;ALU_operation =3b101;#100;ALU_operation =3b100;#100;ALU_operation =3b011;#100;ALU_operation =3b010;#100;ALU_operation =3b001;#100;ALU_operation =3b000;#100;A=32h01234567;B=32h76543210;ALU_operation =3b111;ALU模塊調(diào)用結(jié)構(gòu)仿真通過后封裝

13、邏輯符號(hào)ALU_Simulation結(jié)果參考RTL-Schematic實(shí)驗(yàn)第三部分：設(shè)計(jì)Registers組非常非常精練的參考代碼35Module regs(input clk, 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 - r31 integer i;assign rdata_A = (Rs_addr_A = 0) ? 0 : registerreg_Rd_addr_A; / readassign rdata_B = (Rt_addr_B = 0) ? 0 : registerreg_Rt_addr_B; / readalways (posedge clk or posedge rst) begi