FPGA模型机课程设计.doc

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.23M 资料格式：doc 举报版权申诉

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一、设计的目的和任务

二、系统方案设计

1. 所完成的指令系统

2.数据通路设计

三、系统测试

1. 测试环境

2.功能仿真

四、课程设计总结

1、设计中出现的问题及如何解决

2、设计感想和建议

西安邮电大学（计算机学院） FPGA 模型机课程设计报告专业名称：计算机科学与技术班级：计科 1601 学生姓名：李媛学号（8 位）： 04161008 指导教师：董梁设计起止时间：2019 年 6 月 24 日-2019 年 7 月 5 日 1

一、设计的目的和任务 1.设计的目的主要围绕设计一个完整的模型计算机展开，包括设计模型机的基本架构、数据通路、运算器、存储器、总线、通用寄存器、输入\输出端口等硬件部件，以及指令系统。指令系统可以采用 MIPS 32 位处理器指令格式实现。要求实现基本的 Load-Store-ALU 类型 20 条指令，在此基础上可以自行扩展需要实现的指令，包括乘除运算、条件转移、异常与中断、原子操作等指令。 2.设计的任务第一周周一： FPGA 模型计算机整体方案设计，分组并根据所学《基于 VerilogHDL 的 FPGA 设计基础》和《计算机组成原理》课程的知识，认真研究题目要求，查阅有关资料，熟悉 FPGA 开发板的结构，完成方案设计。第一周周二：模型计算机各功能电路设计。根据总体方案，自行运用 VerilogHDL 语言进行运算器设计、存储器设计、输入\输出端口设计、总线接口设计等。即要求完成 20 条 MIPS 整数指令，基本能够在 Modelsim 上进行功能仿真，运算、转移和存储功能需测试正确。第一周周三：模型机指令系统设计。根据搭建的模型机数据通路图，选择扩展的指令格式和指令功能。扩展指令系统的选择可以参照 MIPS 32 位处理器指令集，选择 MIPS12 条整数指令或 MIPS 与中断相关指令。要求能够画出指令格式和指令功能，能够画出处理器内部实现结构图，包括时序信号和控制信号，可以采用单周期或多级流水线方案。 2

第一周周四：完成模型机指令系统实现。根据设计好的指令系统实现方案，在 Modelsim 上进行功能仿真。要求将所有设计的机器指令都仿真正确，包括：数据流通、时序节拍、寄存器的读写，输入输出端口的访问、接口控制信号等。所有指令功能测试正确。第一周周五：模型机整体的联调和使用 FPGA 开发板。根据前期设计工程中出现的问题进行查漏补缺。在此基础上，可以将设计的机器指令编写简短程序，在 Modelsim 上进行功能仿真。指导教师对学生小组进行中期检查，主要观察指令运行结果，包括数据寄存器打入是否正确，转移指令是否正确设置 PC，访存指令实现等。第二周周一：模型机下载 FPGA 实现。将在 Modelsim 里仿真验证通过的模型机程序，通过 ISE/Vivado 综合工具，下载到 FPGA 开发板上。要求能够正确的生成程序存储器 IP，引脚映射正确，复位和时钟信号正确。模型机程序下载到 FPGA 开发板上后，能够通过简单的机器指令进行测试。第二周周二：模型机在 FPGA 上的功能测试。将模型机程序正确下载到 FPGA 开发板上后，能够用机器指令编写简短的程序，测试模型机的功能。要求：用机器指令编写的程序应在 Modelsim 上仿真通过，明确实验结果。将功能相同的机器指令程序在 FPGA 上进行测试，应该保证结果一致。该测试程序自行设计，需将所设计指令逐一验证以确保正确。第二周周三：模型机在 FPGA 上简单的输入输出实现。使用 FPGA 开发板上的按键作为输入， LED 和数码管作为输出。编写机器指令程序，按键控制实现流水灯和数码管的显示等功能。该实现程序自行设计，还可以考虑串口通信、VGA 显示、键盘输入等功能，测试程序越多，功能越强大为佳。 3

第二周周四：模型机在 FPGA 上简单应用的实现。使用 FPGA 开发板，编写机器指令程序，实现交通灯，秒表，速度控制，打乒乓球等简单的应用。该应用程序自行编写，题材不限。可以进行显示器点亮测试、USB 通信测试等功能实现。第二周周五： FPGA 模型机设计结果答辩，向老师进行功能展示、设计方案讲解、设计步骤讲解、实验结果正确性分析等。二、系统方案设计 1. 所完成的指令系统 1.1 立即数操作指令 1.2 寄存器操作类指令 1.3 移位操作类指令 4

1.4 存储器操作类指令 1.5 跳转类指令 1.6 乘除类指令 5

1.7 中断类指令 2.数据通路设计 2.1 总体通路图 6

2.2 取指部件 2.2.1 设计思路取指阶段取出指令存储器中的指令，同时，PC 值递增，准备取下一条指令，包括 PC、IF/ID 两个模块。 7

2.2.2 遇到问题如果在取指时发生异常，指令地址该如何保存，保存到寄存器 EPC 的值是 PC-4, 还是是 PC？区别是怎样的？ 2.2.3 解决方法此时可以引入延迟槽，引入之前，处理器执行转移指令的顺序是：转移指令->转移目标地址的指令引入延迟槽之后，处理器执行转移指令的顺序是：转移指令->延迟槽指令->转移目标地址的指令在中间插入了延迟槽指令，当延迟槽中的指令发生异常时，如果在寄存器 EP 存槽指令的地址，那么从异常处理例程返回时，将回到延迟槽指令的地址处，可见没有发生转移，这样就不是被打断之前的指令顺序，所以，为了恢复原来的指令顺序，在这里将延迟槽之前的转移指令的地址保存到寄存器 EPC 中，也就是 PC-4。 2.3 译码部件 2.3.1 设计思路 IF/ID 模块的输出连接到 ID 模块，那么，我们的指令此时已经进入译码阶段，在此阶段，将对取到的指令进行译码:给出要进行的运算类型，以及参与运算的操作数。译码阶段包括 Regfle, ID 和 ID/EX 三个模块。 ID 模块的作用是对指令进行译码，得到最终运算的类型、子类型、源操作数 1、源操作数 2、要写入的目的寄存器地址等信息，其中运算类型指的是逻辑运算、移位运算、算术运算等，子类型指的是更加详细的运算类型，比如:当运算类型是逻辑运算时，运算子类型可以是逻辑“或”运算、逻辑“与"运算、逻辑“异或"运算等。 8

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