cpu设计与实现实验指导书

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1、CPU设计与实现实验指导书--实现非流水线的CPU系统本实验利用VHDL语言对硬件进行描述，通过FPGA门阵列器件实现一个16位字长的CPU系统。该系统与存储器和输入输出接口线路相连接后，可以组成了一台用于硬件课程教学的完整计算机系统。为了简化CPU设计的工作量，充分利用试验系统提供的硬件和软件资源，同时可以有效降低实验难度，提高学生的学习效率。因此，对学生所设计实现的CPU系统的外特性做了严格的限定，即学生设计实现的CPU与实验系统原有的计算机具有相同的体系结构，差别仅表现在计算机的具体实现不同，包括选用的器件的类型和集成度不同，所用的设计手段、设

2、计过程有所不同，体现出来的设计与实现技术也不尽相同。该系统选择了xinlinx公司的SPARTAN—II系列的芯片（型号是XC2S200），20万门容量，其内部有2352个CLB，14个4Kb的RAM块，208脚的PQFP封装形式，支持在系统编程（insystemprogrammable）。当把使用VHDL语言描述的CPU的源码文件，经过专用工具软件的编译和综合后，下载到这样一个FPGA芯片之中，也就得到了能够正常运行的CPU系统。芯片内部的功能结构图如下：3一.实验目的1．进一步熟悉教学计算机的指令格式、指令编码、寻址方式和指令功能等内容；2．进一

3、步熟悉教学计算机的总体组成和各个部件的功能，理解控制器部件在计算机整机中的关键作用；3．进一步理解和熟悉指令执行步骤的划分方案；4．进一步熟悉教学计算机的硬连线控制器各个控制命令（组）的控制功能，学习用VHDL语言描述节拍发生器和控制信号产生部件的功能。5．进一步理解与熟悉在TH-union教学计算机控制器中处理原有指令和扩展指令的方案，提高对控制器功能描述的理解程度。二．实验内容控制器实验可以在两个层次上进行：第一个层次属于观察、验证性的实验，即通过多种方式，察看教学计算机指令的执行步骤、运行结果、各组控制信号在每一个执行步骤中的状态、指令之间的衔

4、接等有关内容。这个层次的实验，重点在于学懂教学计算机中已有的设计结果，把实现基本指令的VHDL语言程序中的语句描述与教学计的运行结果对应清楚。第二个层次是学生进行自己的设计与实现新的扩展指令的实验，即在教学机系统已有指令的基础上，由学生自己添加若干条（例如3～5条）新的指令进去，包括定义指令格式、功能，划分指令执行步骤和确定每一步的功能，确定每一执行步骤使用的全部控制信号的状态值，使用VHDL语句把新的设计结果描述正确并添加到已有的源程序代码中去，编译、下载并调试正确，写一个包含已有指令和刚刚实现的指令的小程序，检查运行结果的正确性，若发现错误则找出

5、原因并设法改正，直到全部正确为止。学生扩展实现哪几条指令，可以由教师指定，也可以由学生根据自己学习情况自选另外一、两条。这些指令最好从教材中给出的扩展指令组中挑选，例如2条A组指令和2条C组指令。在设计指令的操作码编码、指令执行步骤、使用的控制信号等方面，尽可能地参照已有的基本执行的实现办法进行类似的处理，有利于降低实验难度。三．实验步骤31．按前述的步骤准备好实验机，连接好串口线和电源线，打开PCEC16.EXE的仿真界面；2．将六个功能开关置为00X101（连续、内存读指令、连机、16位、FPGA）；3．确认标有“DataBus15－8”和“Da

6、taBus7－0”的数据总线的指示灯下方的插针断开；4．确认标有“AdressBus15-8”和“AdressBus7-0”的地址总线的指示灯下方的插针断开；5．将提供的带彩线的FPGA的下载线并口一端和计算机的并口连接，彩线一端按红色在左边的位置和大板上电源模块下方的一排插针插接好；6．打开实验机的电源；7．在PC机上打开ISE的软件（软件的具体编译下载使用参见光盘附录）8．打开软件的下载界面，选择SLAVESERIAL方式，添加器件CPU.BIT，进行下载；9．下载完成关闭下载界面，启动PCEC界面，注意实验机不要断电（FPGA断电丢失内容）；1

7、0．按一下“RESET”按键,再按一下“START”按键，主机上显示：TEC-2000CRTMONITORVersion1.0April2001ComputerArchitecturLab.，TsinghuaUniversityProgrammedbyHeJia>11．在FPGA构成的CPU的控制下将汇编语言程序设计的内容重新作一遍。__3