单周期处理器

数字逻辑与处理器基础大作业单周期处理器一、处理器结构阅读处理器的结构图，理解其中各控制信号的含义。注意与教材（第三版）204页图5-24的异同。1.试回答以下问题：a)由RegDst信号控制的多路选择器，输入2对应常数31。这里的31代表什么？在执行哪些指令时需要RegDst信号为2？为什么？答：该项输入对应的是寄存器编号，31即对应了$ra寄存器，而$ra寄存器的作用是用来返回地址的，只有在执行跳转指令jal时，需要对$ra寄存器写入，这,时候应该有Writeregister=31，亦即RegDst=2。b)由ALUSrc1信号控制的多路选择器，输入1对应的指令[10-6]是什么？在执行哪些指令时需要ALUSrc1信号为1？为什么？答：ALUSrc1信号控制的是ALU的第一个输入，在ALUSrc1=0时ALU的第一个输入是从由rs字段所确定的寄存器中读取出来的值，而ALUSrc1=1时，ALU的第一个输入则会变为Instruction[10:6]，这段所对应的是shamt[4:0]字段，它的意义在于确定逻辑左移sll，逻辑右移srl，算术右移sra，所需要移动的二进制位数。c)由MemtoReg信号控制的多路选择器，输入2对应的是什么？在执行哪些指令时需要MemtoReg信号为2？为什么？答：MentoReg=2时，从所给的数据通路来看的结果是对应输入为PC+4。在执行jal指令的时候，会跳转到一个地址的同时将下一条指令的地址保存在寄存器堆（寄存器$ra）中。这时便需要MemtoReg=2。没有其他的指令需要将程序的地址写会寄存器堆中。d)图中的处理器结构并没有Jump控制信号，取而代之的是PCSrc信号。PCSrc信号控制的多路选择器，输入2对应的是什么？在执行哪些指令时需要PCSrc信号为2？为什么？答:PCSrc=2时对应输入为从Instruction[25:21]段（rs段）确定的寄存器序号中读取的数据ReadData1传输到PC，作为下一条指令的地址。由此可以知道，仅有在jr和jalr指令执行的过程中需要使PCSrc=2，因为只有这两条指令需要将寄存器的输出值作为下一条指令的地址。e)为什么需要ExtOp控制信号？什么情况下ExtOp信号为1？什么情况下ExtOp信号为0？答：ExtOp这是一条控制立即数符号的指令，当I型指令的立即数为无符号型时，ExtOp=0，符号扩展即直接在[31:16]补上16个0；而当I型指令为有符号数时，ExtOp=1，表明是根据该立即数的符号位决定是在[31:16]上补16个1（负数最高位为1）还是16个0（正数最高位为0）。f)若想再多实现一条指令nop（空指令），指令格式为全0，需要如何修改处理器结构？答：空指令并无其他特殊功能，因此不需要增加新的功能单元，只需要将控制单元的译码电路做修正即可。全0的指令格式上与sll$0,$0,0相同，但这条指令正常情况下不会出现（不会对$0做写入操作），因此只需要修改RegWrite的逻辑，使得当指令为全0时RegWrite无效即可。2.根据对各控制信号功能的理解，填写如下真值表（填0,1,2,x等）。PCSrc[1:0]BranchRegWriteRegDst[1:0]MemReadMemWriteMemtoReg[1:0]ALUSrc1ALUSrc2ExtOpLuOplw00101010100sw000x01x0100lui001000001x1add001100000xxaddu001100000xxsub001100000xxsubu001100000xxaddi00100000110addiu00100000110and001100000xxor001100000xxxor001100000xxnor001100000xxandi00100000110sll001100010xxsrl001100010xxsra001100010xxslt001100000xxsltu001100000xxslti00100000110sltiu00100000100beq010x00x0010j1x0x00xxxxxjal1x12002xxxxjr2x0x00xxxxxjalr2x11002xxxx二、完成控制器code文件夹中是处理器的Verilog文件。1．CPU.v实现了处理器的整体结构。阅读CPU.v，理解其实现方式。2．Control.v是控制器模块的代码。完成Control.v。3．阅读InstructionMemory.v，根据注释理解指令存储器中的程序。MIPSAssembly01234567891011addi$a0,$zero,12345addiu$a1,$zero,54321sll$a2,$a1,16sra$a3,$a2,16beq$a3,$a1,L1lui$a0,-11111L1:add$t0,$a2,$a0sra$t1,$t0,8addi$t2,$zero,-12345slt$v0,$a0,$t2sltu$v1,$a0,$t2Loop:jLoop4．使用ModelSim等仿真软件进行仿真。仿真顶层模块为test_cpu，这是一个testbench，用于向CPU提供复位和时钟信号。观察仿真结果中各寄存器和控制信号的变化。回答以下问题：a)PC如何变化？答：每个时钟周期加4，从0到44；20（第五条指令）被跳过，因为第四条指令跳转条件为真。b)Branch信号在何时为1？它引起了PC怎样的变化？答：Branch信号在第五个时钟周期(400-500ns)为1，导致PC下一周期为24，而非20。c)100~200ns期间，PC是多少？对应的指令是哪条？此时$a1的值是多少？200~300ns期间$a1的值是多少？为什么会这样？下一条指令立即使用到了$a1的值，会出现错误吗？为什么？答：100-200ns期间，PC为4。对应指令：addiu$a1,$zero,54321（第1条指令）。此时$a1的值为0。200-300ns期间$a1值为0xffffd431，即54321。原因是ALU计算完结果后，要到下一个周期的上升沿寄存器值才能发生变化。下一指令使用到了$a1的值但并不会出错，原因是一旦到了下一个周期，$a1的值就会被更新为计算结果，从寄存器读取的值是正确的。d)运行时间足够长之后（如1100ns时）寄存器$a0~$a3,$t0~$t2,$v0~$v1中的值是多少？与你的预期是否一致？答：最后一条指令是一个死循环，会使得CPU一直在一条并无任何实际计算的跳转指令上循环。因此一旦执行到这条指令，CPU状态将会一直保持不变。$v0=32’b00000000000000000000000000000000=0x00000000$v1=32’b00000000000000000000000000000001=0x00000001$a0=32’b00000000000000000011000000111001=0x00003039$a1=32’b11111111111111111101010000110001=0xffffd431$a2=32’b11010100001100010000000000000000=0xd4310000$a3=32’b00000000000000001101010000110001=0x0000d431$t0=32’b11010100001100010011000000111001=0xd4313039$t1=32’b11111111110101000011000100110000=0xffd43130$t2=32’b11111111111111111100111111000111=0xffffcfc7与预期一致三、执行汇编程序MIPSAssemblyHEX01234567891011121314151617addi$a0,$zero,3#令a0=3jalsum#跳转至sumLoop:beq$zero,$zero,Loop#死循环语句sum:addi$sp,$sp,-8#栈顶上升2个wordsw$ra,4($sp)#返回地址$ra压栈sw$a0,0($sp)#参数$a0压栈slti$t0,$a0,1#若$a01则令$t0=1beq$t0,$zero,L1#上一条的条件不满足时，跳转到L1.xor$v0,$zero,$zero#令$v0=0.addi$sp,$sp,8#栈顶下降2个wordjr$ra#返回保存的返回地址$raL1:addi$a0,$a0,-1#$a0=$a0-1jalsum#跳转至sum，并保存返回地址到$ralw$a0,0($sp)#弹栈，取出已保存的$a0lw$ra,4($sp)#弹栈，取出保存的$raaddi$sp,$sp,8#栈顶下降2个wordadd$v0,$a0,$v0#$v0=$v0+$a0jr$ra#返回保存的返回地址$ra200400030c0000031000ffff23bdfff8afbf0004afa4000028880001110000030000102623bd000803e000082084ffff0c0000038fa400008fbf000423bd00080082102003e000081.如果第一行的3是任意正整数n，这段程序能实现什么功能？Loop，sum，L1各有什么作用？为每一句代码添加注释。答：这段程序计算1+2+...+n的值并保存到$v0中。Loop的功能是在程序执行完毕之后进入死循环，sum初始化$v0=0,并递归调用L1，L1将$a0减一并回调sum，sum再将每个$a0(依次减一后)压栈，然后L1再将所有的$a0依次加起来，得到结果。最终程序返回到死循环指令Loop。注释见表格。2.将这段汇编程序翻译成机器码。对于beq和jal语句中的Loop，sum，L1，你是怎么翻译的？立即数-1、-8被翻译成了什么（用16进制或2进制表示）？答：翻译的16进制机器码见表格。beq指令中标签被翻译为相对于当前指令下一条指令的偏移量，而jal指令中标签被翻译为相对于第0条指令的偏移量（第0条指令的低28位为0）。因此jal指令中的sum表示为0x0000003,第2条beq指令中的L1表示为0xffff，第7条beq指令中的L1表示为0x0003。立即数在指令中占16bits，用补码表示。-1表示为0xffff,-8表示为0xfff8。8'd0:Instruction={6'h08,5'd0,5'd4,16'd3};8'd1:Instruction={6'h03,26'd3};8'd2:Instruction={6'h04,5'd0,5'd0,16'b1111111111111111};8'd3:Instruction={6'h08,5'd29,5'd29,16'b1111111111111000};8'd4:Instruction={6'h2b,5'd29,5'd31,16'b0000000000000100};8'd5:Instruction={6'h2b,5'd29,5'd4,16'b0000000000000000};8'd6:Instruction={6'h0a,5'd4,5'd8,16'b0000000000000001};8'd7:Instruction={6'h04,5'd8,5'd0,16'd3};8'd8:Instruction={6'h0,5'd0,5'd0,5'd2,5'd0,6'h26};8'd9:Instruction={6'h08,5'd29,5'd29,16'b0000000000001000};8'd10:Instruction={6'h0,5'd31,15'd0,6'h08};8'd11:Instruction={6'h08,5'd4,5'd4,16'b1111111111111111};8'd12:Instruction={6'h03,26'd3};8'd13:Instruc