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quartus,ii,8位cpu设计实验报告
quartus,ii,8位cpu设计实验报告
CPU设计实验报告
数字逻辑与处理器基础实验 32位mips cpu设计 综述: 我们的最后验收结果时钟频率是84.9mhz。本实验报告主要分为实验设计说明与实验收获总结两个部分。 附件中有cpu工程文档与
模块代码。
第一部分 实验设计
一、 alu设计
1、设计思路 实现基本的算术、逻辑、关系、位与移位运算,尽量优化以达到最小的面积延时积。 结
构图如下: 主要设计思想:
a. 加法运算实现可以采用逐次进位、超前进位等结构,减法可以通过加法实现(参见见
面理论课讲义或者前面实验);同时输出z(结果为零)、v(结果溢出)、n (结果为 负)等标志位,注意有符号数和无符号数标志产生的不同。b. 比较运算根据减法运算的结果(z/v/n)产生,自行分析比较操作与算术运算之间的
关系。
c. 移位运算可以考虑将移位操作拆分为16 位移位、8 位移位、4 位移位、2 位移位、
1位移位等几个子运算的组合,然后级联形成最后的运算结果。 d. 逻辑运算可以根据要求
直接产生。
功能表 接口说明
2、主要模块
a) 32bit加法器
采用8个4bit超前进位加法器极连的方式,构成32bit加法器。对于逸出位v的处理如
下:由有符号数的性质可知,对最高位32和次高位31位取抑或,输出信号则为是否逸出。
对32位运算结果取反后,再对相邻两位反复取与,最终得到结果是否为零的输出z.如果是
有符号数,则符号位=n。
由于这一方法部分程度上减弱了高位计算对低位计算的依赖程度,因此可以实现延时的
降低。同时,由于其超前进位网络的大量逻辑运算,较大程度上提升了电路的面积,造成最
终的面积延时积特性恶化。 关键代码见附录1 b) 32bit减法器
对加法器按位取反,再加一。 关键代码见附录1 c) 32bit 右移 32bit 左移 32bit 算术右移 将移位操作拆分为16 位移位、8 位移位、4 位移位、2 位移位、1位移位等几个子运算
的组合,然后级联得到最后的运算结果。 关键代码见附录1 d) 32bit 逻辑比较单元
采用行为级语句直实现逻辑比较功能。 关键代码见附录1 e) alu顶层控制模块
用多路选择器实现对输出结果的控制,采用行为级语句实现设计。附加说明:对于无符号运算的结果,由于z,v,n已经将符号的作用考虑进去,因此,
对于需要实现的六个指令,仅有a<b需要特殊处理,而其他指令对于无符号数和有符号数的
结果一致。因此,针对a<b指令,添加针对无符号数的专用比较电路,并使用与超前进位加
法器类似的方式进行并行加速操作。 关键代码见附录1
二、单周期mips处理器设计流程框图:篇二:cpu设计实验报告cpu设计实验报告
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一、实验目的:
1、掌握硬件描述语言vhdl和eda工具quartus ii;利用vhdl设计16位串行cpu,实
现算术和逻辑运算指令、转移指令、访存指令、堆栈指令和控制指令;
2、掌握cpu的调试和测试方法。
二、实验内容:
1、运用硬件描述语言vhdl实现寄存器堆和算数逻辑单元设计、指令集和指令格式、时
序设计和整体结构设计、指令译码器的设计、访存单元的设计、调试单元的设计;
2、上机调试。
三、实验步骤:
1、寄存器堆的设计
寄存器堆由16个16位寄存器组成 。其中reset是异步清0端,reset=0时将所有寄存
器清0。dr_sel和sr_sel是目标寄存器和源寄存器编号,dr_out和sr_out输出目标寄存器
和源寄存器的内容。reg_sel指定一个寄存器编号,将该寄存器内容送给reg_out,这两个端
口用于调试时观察每个寄存器的值。reg_en是写允许端。reg_en=“01”时,在clk的上升
沿将from_alu写入dr_sel指定的寄存器;reg_en=“10”时,在clk的上升沿将from_mem
写入dr_sel指定的寄存器。reg_en取其他值时不改变寄存器堆的值。 设计方法:
subtype word is std_logic_vector(15 downto 0);typeregisterarray
is array ( 0 to 15 ) of word; signal reg_bank: registerarray 则reg_bank就是我们所需要的寄存器堆。写寄存器堆的方法:
reg_bank(conv_integer(dr_sel))=from_alu; 读寄存器堆的方法:
dr_out = reg_bank(conv_integer(dr_sel)); 其中,conv_integer
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