电子科大-系统结构实验-补全流水线结构图

实验报告课程名称：计算机系统结构实验学院：计算机科学与工程学院专业：计算机科学与技术指导教师：好老师学生姓名：爱学习的小学生6666666666666实验成绩：日期：2017年5月5日电子科技大学计算机学院实验中心1/7电子科技大学实验报告一、实验项目名称：流水线代码分析二、实验室名称：主楼A2-412实验时间：2017年5月5日三、实验目的1.熟悉代码中的模块名和接口信号，并理解其作用；2.通过补全流水线的模块图，进一步熟悉代码中各模块的连接细节，加强对流水线CPU工作原理的掌握。四、实验原理（一）VerilogHDL知识回顾（1）5种抽象的级别：系统级、算法级、RTL级、门级、开关级（2）功能:1.可描述顺序执行或并行执行的程序结构；2.用延迟表达式或事件表达式来明确地控制过程的启动时间；3.通过命名的事件来触发其他过程里的激活行为或停止行为。4.提供了条件（如if_else，case等）循环程序结构；5.提供了可带参数并且非零延续时间的任务（task）程序结构；6.提供了可定义新的操作符的函数（function）结构；7.提供了用于建立表达式的算术运算符、逻辑运算符、位运算符。8.提供了一套完整的组合型原语（Primitive）；（二）VerilogHDL的基本语法（三）流水线CPU原理图2/7（四）ISE的使用（五）流水线CPU工作原理五、实验内容1.列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用；2.补全流水线的模块图：a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字；b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。3.对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理。六、实验器材（设备、元器件）ISEDesignSuite14.7集成开发环境，编程语言：VerilogHDL硬件描述语言七、实验步骤1.看懂老师给的CPU源代码；2.仔细对比各模块的形参，与最顶层模块中的实参，列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用；3.根据代码补充完善“流水线结构补充图”：a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字；b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。4.对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理。八、实验数据及结果分析（一）列出代码中的模块名和接口信号，并写出他们的作用：3/71.modulepipelinedcpu(clock,resetn,pc,inst,ealu,malu,walu);模块名：pipelinedcpu接口信号:clock,resetn,pc,inst,ealu,malu,walu作用：规定统一的接口信号，连接各个模块，实现CPU总体结构2.modulepipepc(npc,clk,clrn,pc);模块名：pipepc接口信号:npc,clk,clrn,pc作用：prog_cnt，实现程序计数器PC3.modulepipeif(pcsource,pc,bpc,rpc,jpc,npc,pc4,ins);模块名：pipeif接口信号:pcsource,pc,bpc,rpc,jpc,npc,pc4,ins作用：if_stage，实现取指IF级4.modulepipeir(pc4,ins,clk,clrn,dpc4,inst);模块名：pipeir接口信号:pc4,ins,clk,clrn,dpc4,inst作用：inst_reg，实现IF级与ID级之间的寄存器，即指令寄存器IR5.modulepipeid(dpc4,inst,wrn,wdi,wwreg,clk,clrn,bpc,jpc,pcsource,wreg,m2reg,wmem,aluc,aluimm,a,b,imm,rn,shift,jal,rsrtequ);模块名：pipeid接口信号:dpc4,inst,wrn,wdi,wwreg,clk,clrn,bpc,jpc,pcsource,wreg,m2reg,wmem,aluc,aluimm,a,b,imm,rn,shift,jal,rsrtequ作用：id_stage，实现译码ID级6.modulepipedereg(dwreg,dm2reg,dwmem,daluc,daluimm,da,db,dimm,drn,dshift,djal,dpc4,clk,clrn,ewreg,em2reg,ewmem,ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,ern,eshift,ejal,epc4);模块名：pipedereg接口信号:4/7dwreg,dm2reg,dwmem,daluc,daluimm,da,db,dimm,drn,dshift,djal,dpc4,clk,clrn,ewreg,em2reg,ewmem,ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,ern,eshift,ejal,epc4作用：de_reg，实现ID级与EXE级之间的寄存器7.modulepipeexe(ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,eshift,ern0,epc4,ejal,ern,ealu,z);模块名：pipeexe接口信号:ealuc,ealuimm,ea,eb,eimm,eshift,ern0,epc4,ejal,ern,ealu,z作用：exe_stage，实现指令执行EXE级8.modulepipeemreg(ewreg,em2reg,ewmem,ealu,eb,ern,clk,clrn,mwreg,mm2reg,mwmem,malu,mb,mrn);模块名：pipeemreg接口信号:ewreg,em2reg,ewmem,ealu,eb,ern,clk,clrn,mwreg,mm2reg,mwmem,malu,mb,mrn作用：em_reg，实现EXE级与MEM级之间的寄存器9.moduleIP_RAM(we,addr,datain,clk,dataout);模块名：IP_RAM接口信号:we,addr,datain,clk,dataout作用：mem_stage，实现存储器访问MEM级10.modulepipemwreg(mwreg,mm2reg,mmo,malu,mrn,clk,clrn,wwreg,wm2reg,wmo,walu,wrn);模块名：pipemwreg接口信号:mwreg,mm2reg,mmo,malu,mrn,clk,clrn,wwreg,wm2reg,wmo,walu,wrn作用：mw_reg，实现MEM级与WB级之间的寄存器11.modulemux2x32(a0,a1,s,y);模块名：mux2x32接口信号:a0,a1,s,y作用：wb_stage，实现结果写回WB级，选择结果写回的来源是ALU还是数据存储器5/7（二）补全流水线的模块图：a)在现有图的基础上，在对应模块的输入输出接口处补全端口的名字；b)在现有图的基础上，补全未画出的模块和信号连线。具体见下图：（三）对补全的流水线模块图作必要的文字说明，解释其工作原理：流水线处理机组成结构如后上图，把执行指令的过程分为5部分，使其能够按流水线方式执行指令：（1）IF(instructionfetch)取指令；（2）ID(instructiondecode)指令译码并读寄存器操作数；（3）EXE(execution)执行；（4）MEM(memoryaccess)存储器访问；（5）WB(writeback)写回。指令执行从左移向右通过电路，但有两处从右向左的例外：（1）WB级：把运算结果写回寄存器堆中；（2）IF级：把经过计算的下一条指令的地址写入程序计数器PC中。流水线处理机的最大特点：每一个时钟周期取出一条指令来执行。所有的指令按取出的先后次序通过数据路径。依照指令类型的不同，每种指令在执行过程中可能会用到数据路径的不同的部分。九、总结、改进建议及心得体会6/7（一）总结：经过努力，完成了对源代码各个模块和接口信号的分析，补全了流水线CPU的结构图，较好的完成了本次实验。（二）改进建议：根据代码画流水线结构图难度不大，但是操作费时较久，可以考虑改为根据完整的流水线结构示意图补全代码，难度会更大。（三）心得体会：1、通过列出代码中的模块名和接口信号、并分析他们的作用，我对流水线CPU的工作原理有了更好的理解，也进一步熟悉了使用VerilogHDL模拟流水线CPU的方法。2、通过补全流水线模块图，对Visio的操作水平有一定的提升。