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计算机原理与设计
实验报告
实验三 多周期 MIPS CPU 的控制部件
用有限状态机实现多周期 CPU 的控制部
件
教育资料

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实验地点
硬件环境
系统环境
设计软件
器件型号
一.实验目的
1、了解 MIPS—CPU 控制器的功能和工作原理;
2、掌握用有限状态机技术实现多周期控制器的方法;
3、熟练掌握用 Verilog HDL 语言设计多周期控制器的方法;
4、熟练掌握对多周期控制器的仿真实验验证和硬件测试两
种调试方法;
5、掌握向 MIPS-CPU 顶层数据通路中增加控制单元的方法,
并通过仿真验证和硬件测试两种方法对电路进行故障定位
的调试技术。
二.实验内容
(1)MIPS—CPU 控制器的有限状态机设计,根据 MIPS—CPU
各种类型指令执行要求和有限状态机的设计原理,将多周期
控制器的指令执行划分为多个状态,确定每一种指令的有限
状态机,最后归纳为完整的多周期控制器有限状态机。通过
Verilog HDL 语言实现多周期控制器有限状态机。
(2)根据 MIPS—CPU 控制器的接口要求,在有限状态机的
教育资料
信息楼 605
Intel(R) Core™ i3-3240 ,1.91GB
Windows XP SP3
Quartus II 13.0
EP1C12QC240C8

.
基础上,用 Verilog HDL 实现完整的 MIPS—CPU 控制器的设
计,并根据仿真波形,验证设计的正确性,并对出现的故障
进行定位,修改程序,重新编译;
(3)设计控制器的硬件下载测试方案。将编译通过的电路
下载到实验台中。根据硬件调试结果验证设计的正确性,并
对出现的故障进行定位,修改程序重新编译;最终完成控制
器的硬件电路设计;
(4)在 MIPS—CPU 指令系统的数据通路基础上,增加控制
单元电路,并进行编译,仿真波形和调试。根据仿真波形,
验证设计的正确性,并对出现的故障进行定位,修改程序,
重新编译;
(5)对增加了控制单元的顶层数据通路设计硬件下载测试
方案。将编译通过的电路下载到实验台中。根据硬件调试结
果验证设计的正确性,并对出现的故障进行定位,修改程序,
重新编译;最终完成增加了控制单元的顶层数据通路设计。
三.实验原理与步骤
1.把指令执行分成多个阶段,每个阶段在一个时钟周期内完
成
(1).时钟周期以最复杂阶段所花时间为准
(2).尽量分成大致相等的若干阶段
(3).每个阶段内最多只能完成:1 次访存 或 1 次寄存器堆
读/写 或 1 次 ALU
教育资料

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2.每步都设置相应的存储元件,执行结果都在下个时钟开始
保存到相应单元
3.认真阅读书上的控制部件代码后,将其按照电路图进行拆
分,拆分为三个部件,并在顶层模块中连接线路。
四.实验源代码
D 触发器源代码:
下一状态部件源代码:
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