计算机组成原理-运算器实验(6)

实验四 取指令并完成译码操作的实验

4.1实验目的

（1）掌握单周期CPU执行指令的过程。

（2）掌握指令译码和各个控制信号的作用和生成过程。

4.2实验设备

PC机一台，Digilent Nexys 4TM开发板，Xilinx Vivado开发套件。

4.3实验原理

计算机CPU执行指令的过程主要分为7个步骤：

（1）取指：根据程序计数器（PC）从内存中取指令，PC的值为该指令在内（2）计算PC的值：能自动计算PC的值以确定下一条指令的地址； （3） 译码：对指令操作码进行译码，以产生控制信号来控制指令进行相应（4）取操作数：根据指令字段的内容，选择从存储器读取数据或直接从寄存器取数；

（5）算术/逻辑运算：根据译码结果，进行算术/逻辑运算或者计算操作数的（6）结果写回：根据指令的要求对运算（处理）后的数据进行写回操作，（7）时钟控制：通过时钟信号控制指令操作的周期。

本次实验主要模拟CPU取指令和译码阶段。实验的原理图如图4.1所示： 地址；

如写存储器或写寄存器；

存中存放的地址；

的操作；

ALUSrcled[0]RegWriteLed[1]ALUOpLed[3:2]Led[4]I_formatBranchsw[7:0]addra[7:0]Ins_Rom[31:27]douta[31:0][5:0]Opcode[5:0]Led[5]控制器led[15:0]nBranchLed[6]SftmdLed[7]clkclkaFunction_opcode[5:0]JalLed[8]JmpLed[9]SftmLed[12:10]ALU_ctlLed[15:13]

图4.1取指令译码原理图

由外部输入的7位地址到ROM模块，ROM模块根据输入地址读取相应的32位数据，得到32位指令数据后由控制器进行译码生成相应的控制信号输出。

4.4实验步骤

1.添加ROM的IP核，并设计相应的输入输出端口和加载的指令文件。如图4.2所示：

图4.2ROM的IP核设计图

2.添加控制器模块的IP核。

3.编写主模块，主模块有8位地址输入位，1位时钟输入信号和16位输出信号，编写完成后，综合项目源文件，然后实施活动的设计合成的网表，对这9位输入和16位输出进行管脚绑定，开关的低8位对应8位输入地址，16位输出对应LED灯的16位，绑定完成后保存生成的约束文件，最后生成相应的编码文件。

4. 连接开发板，并打开开发板开关，将程序下载到开发板上，观察输入不同地址对应的LED灯的明暗情况。

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