计算机组成原理模型机实验报告.docx

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计算机组成原理模型机实验报告

实验六计算机系统综合设计与实现

一、实验目的

1、深入理解计算机系统工作的基本原理，建立整机概念。

2、融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。

3、培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。

二、实验要求

1、将已经设计的运算器、存储器和控制器连接，构建完整的计算机系统；

2、编写一段可以实现一定功能的指令程序，进行计算机整机系统功能的验证。

3、所有任务要求功能仿真和必要的验证。

实验完成后，一周内提交实验报告。

三、实验设备

PC机+QuartusⅡ10.0+FPGA（DE2-115）+TEC-8实验箱

四、计算机系统（TEC-8）综合逻辑框图

硬连线控制器控制信号切换电路ALUA端口B端口CZR0R1R2R3IRPCAR双端口RAMDBUS

五、实验任务

1、将实验二的运算器、实验三的存储器和实验五的控制器连接，构建完整的计算机系统；

2、计算机整机系统功能测试，进行功能仿真和时序仿真并在DE2-115上验证。

（1）根据指令系统，编写一段可以实现一定功能的程序，要求：

有一个合理的运算功能和逻辑关系；

指令数量：

不少于8条；

指令类型：

停机、跳转、RR、读存、写存、算术和逻辑运算；

（2）将指令程序手工汇编成二进制代码；

（3）理论上设置寄存器的初值，并计算程序执行后的结果；

（4）将指令程序的二进制代码存入存储器RAM中；

（5）将需要的运算数据初值存入寄存器R0-R3中；

（6）进行程序连续运行的功能仿真和时序仿真，将仿真运算结果与理论计算结果进行比较。

六、实验步骤

实验电路图

子模块

（1）tri_74244

tri74244.v

moduletri_74244（en,Din,Dout）;

inputen;

wireen;

input[7:

0]Din;

wire[7:

0]Din;

output[7:

0]Dout;

reg[7:

0]Dout;

always@（enorDin）

begin

if（en）

Dout<=Din;

else

Dout<=8'bzzzzzzzz;

end

endmodule

`timescale1ps/1ps

moduletri_74244_vlg_tst（）;

regeachvec;

reg[7:

0]Din;

regen;

wire[7:

0]Dout;

tri74244.vt

`timescale1ps/1ps

moduletri_74244_vlg_tst（）;

regeachvec;

reg[7:

0]Din;

regen;

wire[7:

0]Dout;

tri_74244i1（

.Din（Din）,

.Dout（Dout）,

.en（en）

）;

integeri;

initial

begin

i=0;

Din=8'b00000000;

en=0;

en=1;

#30en=0;

#40en=1;

end

initial

begin

for（i=0;i<10;i=i+1）

begin

#10Din=i;

end

end

endmodule

tri74244功能仿真

（2）ALU

ALU.bdf

modolue_74181

使用quartus库中的74181模块转换为verilog文件即可

de2_4

de2_4.v

modulede2_4（en,in,out）;

input[2:

1]in;

inputen;

output[4:

1]out;

reg[4:

1]out;

always@（enorin）

if（en）

case（in）

2'b00:

out=4'b0001;

2'b01:

out=4'b0010;

2'b10:

out=4'b0100;

2'b11:

out=4'b1000;

default:

out=4'b0000;

endcase

elseout=4'b0000;

endmodule

de2_4.vt

`timescale1ns/1ps

modulede2_4_vlg_tst（）;

regeachvec;

regen;

reg[2:

1]in;

wire[4:

1]out;

de2_4i1（

.en（en）,

.in（in）,

.out（out）

）;

initial

begin

en=0;

end

initial

begin

#10en=1;

end

initial

begin

#5in=2'b00;

#15in=2'b01;

#15in=2'b10;

#15in=2'b11;

#40$finish;

end

initial

$monitor（$time,,,"en=%bin=%bout=%b",en,in,out）;

endmodule

reg8

reg8.v

modulereg8（T3,DOUT,D）;

inputT3;

wireT3;

input[7:

0]D;

wire[7:

0]D;

output[7:

0]DOUT;

reg[7:

0]DOUT;

always@（posedgeT3）

begin

DOUT<=D;

end

endmodule

reg8.vt

`timescale1ps/1ps

modulereg8_vlg_tst（）;

regeachvec;

reg[7:

0]D;

regT3;

wire[7:

0]DOUT;

reg8i1（

.D（D）,

.DOUT（DOUT）,

.T3（T3）

）;

integeri;

initial

begin

T3=0;

D=8'd0;

end

always

begin

#5T3=~T3;

end

initial

begin

for（i=0;i<11;i=i+1）

begin

#10D=i;

end

end

endmodule

mux4_1

mux4_1.v

modulemux4_1（

d1,

d2,

d3,

d4,

se1,

se2,

dout

）;

input[7:

0]d1;

input[7:

0]d2;

input[7:

0]d3;

input[7:

0]d4;

inputse1;

inputse2;

outputdout;

reg[7:

0]dout;

always@（d1ord2ord3ord4orse1orse2）

case（{se2,se1}）

2'b00:

dout=d1;

2'b01:

dout=d2;

2'b10:

dout=d3;

2'b11:

dout=d4;

endcase

endmodule

mux4_1.vt

`timescale1ps/1ps

modulemux4_1_vlg_tst（）;

regeachvec;

reg[7:

0]d1;

reg[7:

0]d2;

reg[7:

0]d3;

reg[7:

0]d4;

regse1;

regse2;

wire[7:

0]dout;

mux4_1i1（

.d1（d1）,

.d2（d2）,

.d3（d3）,

.d4（d4）,

.dout（dout）,

.se1（se1）,

.se2（se2）

）;

integeri,j;

initial

begin

#10d1=8'b00000001;

d2=8'b00000010;

d3=8'b00000011;

d4=8'b00000100;

end

initial

begin

#5

while

（1）

for（i=0;i<2;i=i+1）

for（j=0;j<2;j=j+1）

begin

#5se2=i;se1=j;

end

end

endmodule

ALU逻辑电路图

逻辑功能表

（1）写寄存器（例如：

向通用寄存器R0-R3分别写入数据55H/AAH/03H/04H）

T3

RD

DRW

SBUS

ABUS

DBUS[7..0]

功能（写R）

↑

00

1

1

0

55H

55H→R0

↑

01

1

1

0

AAH

AAH→R1

↑

10

1

1

0

03H

03H→R2

↑

11

1

1

0

04H

04H→R3

（2）选择将R0送74181的A端口，R1送B端口，进行算术功能验算

M

Cn

S[3..0]

RD

RS

DRW

SBUS

ABUS

DBUS[7..0]

0

1

55

0

1

ff

……

0

1

54

（3）选择将R0送74181的A端口，R1送B端口，进行逻辑功能验算

M

Cn

S[3..0]

RD

RS

DRW

SBUS

ABUS

DBUS[7..0]

1

1

AA

1

1

00

……

1

1

55

当A=55H，B=AAH，S=0000~1111，M=0，CIN=1时仿真测试文件及功能仿真波形

`timescale1ns/1ps

modulealu_vlg_tst（）;

regT3;

regSBUS;

regDRW;

regABUS;

regLDC;

regCIN;

regM;

reg[1:

0]RD;

reg[1:

0]RS;

reg[3:

0]S;

reg[7:

0]SD;

wire[7:

0]DBUS;

wireC;

alui1（

.ABUS（ABUS）,

.C（C）,

.CIN（CIN）,

.DBUS（DBUS）,

.DRW（DRW）,

.LDC（LDC）,

.M（M）,

.RD（RD）,

.RS（RS）,

.S（S）,

.SBUS（SBUS）,

.SD（SD）,

.T3（T3）

）;

initial

begin

T3=0;

SBUS=1;

DRW=1;

ABUS=0;

RD=2'b00;SD=8'b01010101;

#10RD=2'b01;SD=8'b10101010;

#10RD=2'b10;SD=8'b00000011;

#10RD=2'b11;SD=8'b00000100;

#10RD=2'b00;

RS=2'b01;

SBUS=0;

DRW=0;

ABUS=1;

CIN=1;

LDC=1;

M=0;

end

always

begin

#5T3=~T3;

end

integeri;

initial

begin

#40S=4'b0000;

for（i=1;i<16;i=i+1）

#10S=i;

end

initial

$monitor（$time,,,"M=%bS=%bCIN=%bSD=%hDBUS=%hC=%b",M,S,CIN,SD,DBUS,C）;

endmodule

指令ADDR0,R1（R0+R1→R0）的仿真测试文件及功能仿真波形

`timescale1ns/1ps

modulealu_vlg_tst（）;

regT3;

regSBUS;

regDRW;

regABUS;

regLDC;

regCIN;

regM;

reg[1:

0]RD;

reg[1:

0]RS;

reg[3:

0]S;

reg[7:

0]SD;

wire[7:

0]DBUS;

wireC;

alui1（

.ABUS（ABUS）,

.C（C）,

.CIN（CIN）,

.DBUS（DBUS）,

.DRW（DRW）,

.LDC（LDC）,

.M（M）,

.RD（RD）,

.RS（RS）,

.S（S）,

.SBUS（SBUS）,

.SD（SD）,

.T3（T3）

）;

initial

fork

T3=0;

SBUS=1;

DRW=1;

ABUS=0;

RD=2'b00;SD=8'b00000111;

#10RD=2'b01;

#10SD=8'b00000001;

#20RD=2'b00;

#20RS=2'b01;

#20SBUS=0;

#20DRW=0;

#20ABUS=1;

#20CIN=1;

#20LDC=1;

#20M=0;

#20S=4'b1001;

#30RD=2'b00;

#30DRW=1;

#40DRW=0;

join

always

begin

#5T3=~T3;

end

endmodule

00nsDBUS=07HT3上升沿到来（5ns时）数据07H被写R0

10nsDBUS=01HT3上升沿到来（15ns时）数据01H被写R1

20nsDBUS=R0+R1=07+01=08H

30nsT3上升沿到来（35ns）时DBUS数据08H被写R0，因此DBUS=R0+R1=08H+01H=09H

（说明实现了R0+R1→R0）

注意：

此时M=0,S=1001，CIN=1（相当于C0=0），实现算术运算A+B

指令SUBR0,R1（R0-R1→R0）的仿真测试文件及功能仿真波形

`timescale1ns/1ps

modulealu_vlg_tst（）;

regT3;

regSBUS;

regDRW;

regABUS;

regLDC;

regCIN;

regM;

reg[1:

0]RD;

reg[1:

0]RS;

reg[3:

0]S;

reg[7:

0]SD;

wire[7:

0]DBUS;

wireC;

alui1（

.ABUS（ABUS）,

.C（C）,

.CIN（CIN）,

.DBUS（DBUS）,

.DRW（DRW）,

.LDC（LDC）,

.M（M）,

.RD（RD）,

.RS（RS）,

.S（S）,

.SBUS（SBUS）,

.SD（SD）,

.T3（T3）

）;

initial

fork

T3=0;

SBUS=1;

DRW=1;

ABUS=0;

RD=2'b00;SD=8'b00000111;

#10RD=2'b01;

#10SD=8'b00000001;

#20RD=2'b00;

#20RS=2'b01;

#20SBUS=0;

#20DRW=0;

#20ABUS=1;

#20CIN=0;

#20LDC=1;

#20M=0;

#20S=4'b0110;

#30RD=2'b00;

#30DRW=1;

#40DRW=0;

join

always

begin

#5T3=~T3;

end

endmodule

00nsDBUS=03HT3上升沿到来（5ns时）数据07H被写R0

10nsDBUS=01HT3上升沿到来（15ns时）数据01H被写R1

20nsDBUS=R0-R1=07-01=06H

30nsT3上升沿到来（35ns）时DBUS数据06H被写R0，因此DBUS=R0-R1=06H-01H=05H

（说明实现了R0-R1→R0）

注意：

此时M=0,S=0110，实现算术运算A-B-1，设置CIN=0（相当于C0=1），让进位C0=1，因此实现运算（A-B-1）+1=A-B

指令ANDR0,R1（R0&R1→R0）的仿真测试文件及功能仿真波形

`timescale1ns/1ps

modulealu_vlg_tst（）;

regT3;

regSBUS;

regDRW;

regABUS;

regLDC;

regCIN;

regM;

reg[1:

0]RD;

reg[1:

0]RS;

reg[3:

0]S;

reg[7:

0]SD;

wire[7:

0]DBUS;

wireC;

alui1（

.ABUS（ABUS）,

.C（C）,

.CIN（CIN）,

.DBUS（DBUS）,

.DRW（DRW）,

.LDC（LDC）,

.M（M）,

.RD（RD）,

.RS（RS）,

.S（S）,

.SBUS（SBUS）,

.SD（SD）,

.T3（T3）

）;

initial

fork

T3=0;

SBUS=1;

DRW=1;

ABUS=0;

RD=2'b00;SD=8'b00000111;

#10RD=2'b01;

#10SD=8'b00001001;

#20RD=2'b00;

#20RS=2'b01;

#20SBUS=0;

#20DRW=0;

#20ABUS=1;

#20CIN=1;

#20LDC=1;

#20M=1;

#20S=4'b1011;

#30RD=2'b00;

#30DRW=1;

#38S=4'b0000;

#40DRW=0;

join

always

begin

#5T3=~T3;

end

endmodule

00nsDBUS=00000111T3上升沿到来（5ns时）数据被写R0

10nsDBUS=00001001T3上升沿到来（15ns时）数据被写R1

20nsDBUS=R0&R1=00000001

30nsDRW=1T3上升沿到来（35ns）时DBUS数据被写R0，

38nsM=1,S=0000DBUS=R0&R1==11111110H实现了求反运算

（说明已经实现了R0&R1→R0）

（3）RAM4

RAM4.bdf

cnt256

cnt256.v

modulecnt256（Q,DATA,LDN,reset,clk）;

output[7:

0]Q;

input[7:

0]DATA;

inputLDN,reset,clk;

reg[7:

0]Q;

always@（posedgeclkornegedgereset）//clk上升沿触发

begin

if（!

reset）//异步清零，低电平有效

Q<=8'b0;

elseif（!

LDN）Q<=DATA;//同步置数，低电平有效

elseQ<=Q+1;//计数

end

endmodule

cnt256.vt

`timescale1ns/1ps

modulecnt256_vlg_tst（）;

reg[7:

0]DATA;

regLDN;

regclk;

regreset;

wire[7:

0]Q;

cnt256i1（

.DATA（DATA）,

.LDN（LDN）,

.Q（Q）,

.clk（clk）,

.reset（reset）

）;

initial

begin

DATA=1'hA;

clk=0;

reset=1;

LDN=1;

DATA=8'd00010010;

#20reset=0;

#40reset=1;

#260LDN=0;

#80LDN=1;

end

always

begin

#20clk=~clk;

end

endmodule

asdf

利用宏功能模块先生成单端口存储器，再用两单端口存储器进行连接生成双端口存储器

RAM4仿真测试逻辑图

双端口逻辑功能表

（1）从左端口写存储器（在01H单元中写入数据11H）（右端口为只读端口）

T2

T3

MEMW

SBUS

LAR

LPC

MBUS

CLR_

ARINC

PCINC

SD[7..0]

功能

x

↑

0

1

1

0

0

1

0

0

01

01H→AR

↑

x

1

1

0

0

0

1

0

0

11

11H→（01H）

（地址线和数据线分时复用技术，先送地址，再送数据）用同样方法在02H中写入22H

（2）从左端口读存储器（从01H中读出数据11H）（右端口为只读端口）

T2

T3

MEMW

SBUS

LAR

LPC

MBUS

CLR_

ARINC

PCINC

SD[7..0]

功能

x

↑

0

1

1

0

0

1

0

0

01

01H→AR

↑

x

0

0

0

0

1

1

0

0

xx

（01H）→DBUS

（地址线和数据线分时复用技术，先送地址，再送数据）用同样方法读出02H中的22H

（3）从右端口读存储器（从01H中读出数据11H）（右端口为只读端口）

T2

T3

MEMW

SBUS

LAR

LPC

MBUS

CLR_

ARINC

PCINC

SD[7..0]

功能

x

↑

0

1

0

1

0