Project3_Logisim完成单周期处理器开发

MIPS单周期CPU设计2018版体会

11条MIPS指令单周期CPU设计 2018元月份，我按照袁春风老师的第三版教材，又重新设计了11条MIPS 指令的单周期CPU。这次的设计与我2017年7月份的单周期CPU还是有些区别。2017年7月份设计的CPU主要是参考《计算机组成与设计-硬件/软件接口David A.Patterson》。 设计中的几点体会如下： 一．基本流程 1.首先要分析清楚这11条指令的格式和特点。按照MIPS指令的格式和特 点，完全掌握它们的功能和执行的过程。 2.这些指令执行过程中需要哪些硬件部件和控制信号，这些部件如何连接 构成数据通路。 3.对所有需要的控制信号进行归纳分析，列出真值表，设计相应的控制电 路。 二．具体设计过程 1.ALU的设计。ALU的设计重点在于先设计出32位的加法器，减法运算是利用 加法的“变反加一”。同时要产生各种运算结果的信号：溢出（OF）、进位（CF）、符号位（SF）、零符号位（Zero）。OF=C n⊕C n-1；CF=C out⊕C in。至于需要其它的运算指令，如逻辑运算、移位运算、乘除法运算，都可以直接调用logisim库中的器件，添加到ALU中，这些运算的结果可以同时产生，只是最后用多路选择器来选择那种指令的结果输出，用的控制信号是OPctr。在ALU中需要设计一个控制信号生成部件，用于产生ALU内部需要的各种控制信号。见袁春风老师教材P155。（第一次实验：ALU部件的设计）（ALU设计中，现在的加法器只是串行的，可以让好的学生用先行进位加法器）

图1：ALU电路图 2.设计寄存器部件。设计一个32个*32位的寄存器部件。两路输入和两路输出， 可读写。（第二次实验：寄存器部件的设计） 图2：寄存器电路图 3.数据通路的设计。通路的设计不能急于求成，要一条指令一条指令来分析和 设计。首先设计R-type中的add、sub、subu、slt、sltu等的通路。要注意是否要判断溢出。在此基础上，再分析I-type带立即数运算指令的数据通路，分析出需要添加哪些部件。再分析sw、lw指令的数据通路，分支指

单周期CPU实验报告

MIPS-CPU设计实验报告

实验名称：32位单周期MIPS-CPU设计 姓名学号：刘高斯11072205 实验日期：2014年12月19日 目录 前言 MIPS简介------------------------------------------------------------- 3 实验目的------------------------------------------------------------- 3 第一部分VERILOG HDL 语言实现部分 实验内容------------------------------------------------------------- 4 试验环境------------------------------------------------------------- 4 模块简介------------------------------------------------------------- 4 实验截图------------------------------------------------------------- 5 实验感想------------------------------------------------------------- 5 实验代码------------------------------------------------------------- 6 第二部分LOGISIM 语言实现部分 实验内容------------------------------------------------------------- 16 实验环境------------------------------------------------------------- 16

(完整版)类MIPS单周期处理器

一、实验目的 1.了解微处理器的基本结构。 2.掌握哈佛结构的计算机工作原理。 3.学会设计简单的微处理器。 4.了解软件控制硬件工作的基本原理。 二、实验任务 利用HDL语言，基于Xilinx FPGA nexys4实验平台，设计一个能够执行以下MIPS指令集的单周期类MIPS处理器，要求完成所有支持指令的功能仿真，验证指令执行的正确性，要求编写汇编程序将本人学号的ASCII码存入RAM的连续内存区域。 （1）支持基本的算术逻辑运算如add，sub，and，or，slt，andi指令 （2）支持基本的内存操作如lw，sw指令 （3）支持基本的程序控制如beq，j指令 三、实验过程 1、建立工程 在ISE 14.7软件中建立名为Lab1 的工程文件。芯片系列选择Artix7,具体芯片型号选择XC7A100T,封装类型选择CSG324,速度信息选择-1。

2、分模块设计 1)指令存储器ROM设计 新建IP core Generator，命名为irom。设定的指令存储器大小为128字，指令存储器模块在顶层模块中被调用。输入为指令指针（PC）与时钟信号（clkin），输出为32位的机器指令，并将输出的机器指令送到后续的寄存器组模块、控制器模块、立即数符号扩展模块进行相应的处理。 然后制作COE文件。先使用UltraEdit编辑代码，代码如下 main: addi $2,$0,85 sw $2,0($3) addi $2,$0,50 sw $2,4($3) addi $2,$0,48 sw $2,8($3) addi $2,$0,49 sw $2,12($3) addi $2,$0,53 # sw $2,16($3) addi $2,$0,49 # sw $2,20($3) addi $2,$0,51 # sw $2,24($3) addi $2,$0,52 # sw $2,28($3) addi $2,$0,54 # sw $2,32($3) addi $2,$0,52 # sw $2,36($3) j main

开关变换器的单周期控制

开关变换器的单周期控制算法 Keyue M. Smedley, Member, IEEE, and Slobodan Cuk, Senior Member, IEEE 摘要：一种新型大信号非线性控制技术被提出来控制开关的占空比以致于在每个周期中开关控制器的开关参数的平均值能准确地等于或者正比于在稳态或暂态的控制参数。单周期控制在一个开关周期内可以有效抑制电源干扰。在一个开关周期内开关变量的平均值能够紧随动态参数的变化，并且在一个开关周期内控制其可以校正开关错误。控制参数与开关变量的均值之间不存在稳态误差也不存在动态误差。用一个在连续周期中运行的buck变换器中进行的实验演示了其控制算法的鲁棒性并且证实了理论猜想。这种新型的控制算法适用于脉宽调制，基于共振的或者软开关的开关控制器的所有类型在连续或者断续模式下电压或者电流的控制。而且，它可以用于物理变量的控制，也可以用于某些以开关变量形式或者可以转换为开关变量形式的抽象信号的控制。 一、介绍 开关变换器用于非线性脉冲动态系统的控制。此类系统在合理的非线性脉冲控制下可以具有更强的鲁棒性和更快的动态响应，并且在线性反馈控制下比同样的系统具有更强的电源抗干扰能力。目前，在电力电子领域已经有很多工作致力于寻找大信号非线性方法来控制开关变换器。 在传统的反馈控制中，占空比线性化为了减小误差。当电源受到干扰时，比如说有一个大的阶跃，因为误差信号必须先变化，占空比控制无法察

觉到这瞬时的变化。所以在输出电压中，可以观察到一个很明显的瞬态超调。而这瞬态过程的持续时长取决于回路带宽。在重新达到稳态前需要经过大量的开关周期。 在电流控制模式下[3]-[5]，一个连续频率的时钟信号在每个开关周期的一开始将开关打开。当到达控制参考信号时，开关电流开关增长，比较器改变其状态并关断晶体管。通常会添加一个人为的斜坡信号来消除当占空比大于等于0.5时产生的震荡。所以，如果这个人为加入的斜坡信号十分精准的等价于电感电流的下降斜率sf，那么系统在一个周期内将具有抗电源干扰的能力。在buck变换器的连续控制参数下可能是可行的。总之，在一个开关变换器中电感电流的下降斜率是一些动态参数的函数。所以，要在一个瞬态过程中让人工加入的斜坡信号跟上电感电流的下降斜率是不可能的。由于这不协调，电流控制模式在一个开关周期内不可能具有抗电源干扰能力。在任何情况下，如果控制参数是可变的，无论人工信号如何选择或者选择哪种变换器，电流控制模式在一个周期内都无法跟随控制参数或具有抗电源干扰的能力。 在闭环buck变换器中，在输出电压错误发生前，电源电压直接控制占空比。如果反馈参数设计精准并且开关时理想的话使输出信号与电源干扰相隔离将成为可能。而在现实中，开关具有开/关瞬态变化和导通压降。所以，这种方法也不能十分准确的抑制电源干扰。 在参考文献[6]中介绍的SADTIC变换器具有一个电容整流器将未整流的电源电压转变为三角波，“平衡交流波形”。这种平衡电流波经整流可产生一系列单极性三角波。输出电压由三角波的重复率控制。控制电流包

计算机组成原理实验报告单周期cpu的设计与实现

1个时钟周期 Clock 电子科技大学计算机科学与工程学院 标 准 实 验 报 告 （实验）课程名称： 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表 电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 郫县尼克杨 学 号： 2014 指导教师：陈虹 实验地点： 主楼A2-411 实验时间：12周-15周 一、 实验室名称： 主楼A2-411 二、 实验项目名称： 单周期CPU 的设计与实现。 三、 实验学时： 8学时 四、 实验原理： （一） 概述 单周期（Single Cycle ）CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟

周期。 一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。对于单周期CPU 来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。 （二） 单周期cpu 总体电路 本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。 （三） MIPS 指令格式化 MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。 MIPS 的指令格式为32位。下图给出MIPS 指令的3种格式。 本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。 五、 实验目的 1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、26 31 221 216 15 11 1 6 5 0 op rs rt rd sa func R 型指令 26 31 221 216 15 0 op rs rt immediate I 型指令 26 31 20 op address J 型指令

单周期CPU设计

信息科学与工程学院 课程设计报告 课程名称：计算机组成原理与结构题目：单周期CPU逻辑设计年级/专业：XXXXXXXXXXXXXXX X 学生姓名：王侠侠、李怀民 学号：XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导老师：XXXX 开始时间：2016年9月15日 结束时间：2016年11月15日

摘要 一、设计目的与目标 1.1 设计目的 1.2 设计目标 二、课程设计器材 2.1 硬件平台 2.2 软件平台 三、CPU逻辑设计总体方案 3.1 指令模块 3.2 部件模块 四、模块详细设计 4.1 指令设计模块 4.2 部件设计模块 五、实验数据 5.1 初始数据 5.2 指令数据 六、结论和体会 七、参考文献

本CPU设计实验以Quartus II 9.0为软件设计平台，以Cyclone 采III型号EP3C16F484C6为FPGA实测板。此CPU设计采用模块化设计方案，首先设计指令格式模块，此模块决定CPU各个部件的接口数据容量及数量，再对CPU各个部件独立设计实现，主要涉及的部件有：寄存器组、控制器、存储器、PC计数器、数据选择器、ALU单元以及扩展单元。分部件的设计通过软件平台模拟仿真各部件的功能，在确保各部件功能正确的情况下，将所有部件模块整合在一起实现16位指令的CPU功能。再按照指令格式设计的要求，设计出一套能完整运行的指令，加载到指令存储器中，最终通过在FPGA实测板上实现了加2减1的循环运算效果，若要实现其他效果，也可更改指令存储器或数据存储器的数据而不需要对内部部件进行更改元件。 关键词：CPU设计、16位指令格式、模块化设计、Quartus软件、CPU各部件

MIPS单周期CPU实验报告

《计算机组成原理实验》 实验报告 （实验二） 学院名称： 专业（班级）： 学生姓名： 学号： 时间：2017 年11 月25 日

成绩: 实验二：单周期CPU设计与实现 一.实验目的 (1) 掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法； (2) 掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法； (3) 认识和掌握指令与CPU的关系； (4) 掌握测试单周期CPU的方法； (5) 掌握单周期CPU的实现方法。 二.实验内容 设计一个单周期的MIPSCPU，使其能实现下列指令： ==> 算术运算指令 ==> 逻辑运算指令 功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。 ==>移位指令 ==>比较指令

==> 存储器读/写指令 将rt寄存器的内容保存到rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中。 即读取rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中的数，然后保存到rt寄存器中。 ==> 分支指令 功能：if(rs=rt) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4 特别说明：immediate是从PC+4地址开始和转移到的指令之间指令条数。immediate 符号扩展之后左移2位再相加。为什么要左移2位？由于跳转到的指令地址肯定是4的倍数（每条指令占4个字节），最低两位是“00”，因此将immediate放进指令码中的时候，是右移了2位的，也就是以上说的“指令之间指令条数”。 12 特别说明：与beq不同点是，不等时转移，相等时顺序执行。 功能：if(rs>0) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4 ==>跳转指令 ==> 停机指令

单周期控制PFC

1.单周期控制原理（以BUCK为例） https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/link?url=Zbv-UCh7K0aOFr7QMsYNc9o5JgcESFzvHsrsBX_iwveEuST3x LQBJKcWkjoTLh6pGyk1LC-X4RTpYu5MOsNBt8WJ-LJV8EswukQOP_nxqve

2.PFC 含义：所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术，它是针对非正弦电流波形畸变而采取的，迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹，并使电流和电压保持同相位，使系统呈纯电阻性技术（线路电流波形校正技术），这就是PFC（功率因数校正）。 所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。 控制方法： https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/link?url=4iwH0V1j4WBuIpzjyk6JInCJYge4W0D4c3DBGlfkaYZrLlc QT2R2gZk0Gzn4aEBEjYUtUFvW2UbpIWKHZyjW_AnhUZAwE6snkiPiJQRIAb7 原理： https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/link?url=LjHmZXNEmu3gIwDldxud7KuU1JPKxL06_pnsAlD3Tl-nfAa0A8t6l 85OlpeNmsopmLINkbrjxC0y9pTfzUBoELpdzLP94rUOUfqJwNBL6sq 平均电流型APFC设计与仿真： https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/link?url=VQWAuzsBCacWhLb9wnAd0e0bH-uzGZZ-QoHuY7Hd6oxCcGkC GalNi_vB8dU57zvATItdZD7oEL9d-tx6eXRFXtCmcASSRFaGRnXUlY8zabO 最常用传递函数详解: https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/link?url=xwUgI0vVnLhwwPBumwzw8djBTX17si-A8EnfUokVXJf6oHBD1tF yKd9UsxOdzRIcTgP1YPQ1vvFqel2DAOsCatKJ_y0WbMr04goEZtFfESy 3. 单周期控制Boost PFC变换器分析与设计 https://www.wendangku.net/doc/fc7046580.html,/s?wd=paperuri%3A%282937d385425e59bd0f238f44a1625d44%29&filt

基于Matlab的单周期控制三相高功率因数并网逆变器的建模与仿真

182/2009 收稿日期：2008-12-10 作者简介：杨志强（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向为 电力电子与能源变换。

19 2/2009基于M A T L A B 的单周期控制三相高功率因数并网逆变器的建模与仿真考价值。 单周期控制的并网逆变器[7,8]可以等效为双并联的BUCK 型逆变器， 控制电路简单（复位积分器和一些逻辑器件），动态响应快，且开关损耗低，同一时间内，只有2个开关导通，大大减小了开关损耗。 1单周期控制三相PWM 并网逆变器建模 单周期控制作用于单个开关管时（在Boost 或Buck 电路中），能够很好地体现单周期的基本思想。假设开关频率f s =1/T s （T s 是开关周期）恒定[9]，开关管的工作过程可以用以时间t 为自变量的开关函数k (t )表示 。 （1）T on 是开关导通时间， 并且T on +T off = T s ，模拟控制信号V ref (t )调制占空比D =T on /T s 。根据单周期控制思想，开关输入信号x (t )与输出信号y (t )的关系为： y (t )=k (t )x (t ) （2）假设开关频率f s 高于输入信号x (t )和模拟控制信号V ref (t )的带宽频率，那么开关输出的有效信号为： （3）因此，可以通过调节占空比D (t )，使每个周期开关输出斩波波形的积分值恰好等于控制信号的积分值，即 ： （4）从而实现每个开关周期开关输出量y (t )的平均值等于参考量V ref (t )的平均值。这样，利用开关能完全抑制输入信号和线性化后的控制信号V ref (t )，使系统具有良好的可控性。 利用基于单周期控制的三相PWM 并网逆变器，可使输出电流与电网电压同相，减小无功功率的输出。为了简化推导过程做如下假设：电网电压为理想的三相电压源；各相的电感相等，即L a =L b =L c =L ；三相电路参数对称；开关频率远远大于工频；忽略开关器件的导通压降和开关损耗。图1是三相并网逆变器的主电路。 为使单周期控制简便，三相逆变器在6个区间内等 效为双并联Buck 型逆变器，该6个区间是按每相电压的过零点来划分的。三相电压6个区间的划分如图2所示。 在第1区间[0°，60°]内，i a ＞0，i b ＜0，i c ＞0，6个开关的动作如下：S bn 一直导通，同时S bp 、S an 和S cn 一直关断，控制开关S ap 和S cp ，使相电流i a 和i c 跟踪各自的相电压V a 和V c 。由于三相电压对称及V a +V b +V c =0，i a +i b +i c =0 ，i b 将自动跟踪V b [10,11]，对于其他区间可以进行类似的分析。从以上分析可知，每一时刻只有2开关动作，极大地减小了开关损耗。在区间1内，逆变器可以解耦为并联的双Buck 逆变器，其等效电路如图3所示。 由图3可以看出，开关S ap 和S cp 共有4种可变的开关状态：（1）S ap 和S cp 都导通；（2）S ap 导通，S cp 关断；（3）S ap 关断，S cp 导通；（4）S ap 和S cp 都关断。在一个开关周期内，只有2种可能的开关顺序，即（1）、（2）、（4）和（1）、（3）、（4）。按（1）、（2）、（4）开关顺序时，开关占空比d ap ＞d cp ；按（1）、（3）、（4）开关顺序时，开关占空比d ap ＜d cp 。假设开关频率远远大于电网频率，以第一种开关顺序为例，在一个开关周期内，由于电感电压的平均值为零，可以推导出式（5） 。 （5）式中：E ——逆变器直流侧电压。 同理可以证明式（5）对于第二种开关顺序也是成立的。 为了使功率因数接近1，电流和电压应该成比例 ， 图1 三相并网逆变器主电路 Fig.1 Main circuit of three-phase PWM GCI 图2 三相电压6个区间划分 Fig.2 Six regions of three-phase voltage 图3 区间内逆变器等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of GCI in the region of 0° to 60°

《单周期CPU设计》实验报告

《计算机组成原理与接口技术实验》 实验报告 学院名称： 学生姓名： 学号： 专业（班级）： 合作者：

时间：2016年4月25日 成绩: 实验二： 一.实验目的 1.掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法； 2.掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法； 3.认识和掌握指令与CPU的关系； 4.掌握测试单周期CPU的方法。 二.实验内容 设计一个单周期CPU，该CPU至少能实现以下指令功能操作。需设计的指令与格式如下： ==> 算术运算指令 （1）add rd , rs, rt（说明：以助记符表示，是汇编指令；以代码表示，是机器指令）

功能：rd←rs + rt。reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。 （2）addi rt , rs ,immediate 功能：rt←rs + (sign-extend)immediate；immediate符号扩展再参加“加”运算。 （3）sub rd , rs , rt 完成功能：rd←rs - rt ==> 逻辑运算指令 （4）ori rt , rs ,immediate

功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate做“0”扩展再参加“或”运算。 （5）and rd , rs , rt 功能：rd←rs & rt；逻辑与运算。 （6）or rd , rs , rt 功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。 ==> 传送指令 （7）move rd , rs 功能：rd←rs + $0 ；$0=$zero=0。 ==> 存储器读/写指令 （8）sw rt ,immediate(rs) 写存储器

单周期控制的三相PFC技术研究

单周期控制的三相PFC技术研究 摘要：本文给出了一种特殊的三相PFC电路，在分析了该电路的工作原理后，利用单周期控制技术于该电路。运用该控制技术去实时控制开关的占空比使得在每个开关周期内，开关整流器输出斩波波形的平均值恰好等于控制基准信号，可以实现三相单位功率因数和低电流畸变。所提出的控制器不需乘法器，仅由带复位的积分器、线性集成电路和逻辑器件组成。简化了电路结构，使该电路易于实现。本文最后通过理论分析、仿真研究和实验验证，证实了该电路及控制方式的合理性和可行性。该变换器的输入功率因数较高，基本在0.99左右，THD能降到10%以下，具有一定的实用性。 关键词：单周期；三相；PFC 中图分类号：M461 文献标识码：A 1.引言 单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是:无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场

合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等[2-5]，为达到理想的功率因数校正的目的，本文研究了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路，并根据分析所得，对电路进行了建模和仿真。仿真结果给出了输入电流与输入电压的波形，并分析了不同情况下对输入电流的影响。根据电路原理以及电路仿真，搭建了1KW的实验装置，对实验波形进行了分析。 2. 功率因数校正电路的分析 在三相电源领域中，人们提出了许多的电路拓扑结构和控制方法。本章给出了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路。重点分析了其工作原理与采用的控制方式，并通过实验和仿真验证其正确性。图一包括三个输入boost电感L1～L3，工作于电流连续导电模式（CCM），其中6个MOS 开关器件及6个二极管等效构成三个双向开关[6]。由于三相电路的对称性，电容中点电位UN与电网中点电位UO近似相等，因此通过控制三个双向开关的通断可分别控制相应相的电流。开关合上时相应相的电流幅值增大，开关断开时相应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上桥臂二极管导通；电流为负时，下桥臂二极管导通)，在输出电压作用下电感中电流减小，从而实现对电流的控制[7]。 3. 单周期控制技术 单周期控制技术的特点就是要保证变换器的输出电压

单周期处理器

实验八单周期处理器的实现 实验目的： 进一步理解数据通路、控制通路等基本概念 掌握处理器中控制器的基本设计方法 进一步理解单周期处理器以及多周期处理器的工作原理和设计思路实验要求： 设计和实现一个单周期处理器（60%） 可执行至少7条MIPS指令，add、sub、ori、lw、sw、beq、j 编写测试程序的二进制代码，测试实现的电路 撰写实验报告，dead line：5.19 设计和实现一个多周期处理器（40%） Dead line：6.6 。 实验报告： （1）实验过程 1 控制器的设计与实现 控制器的功能 根据当前指令，生成处理器内部各部件所需要的控制信号 控制器的输入输出

输入：op[5:0]，func[5:0] 输出：RegDst，ALUSrc，MemtoReg，RegWrite，MemWrite，Branch，Jump，ExtOp，ALUctr[2:0] 图表1 主控的设计 图表2 ALUCTR的设计

图表3 控制器的封装 2 ALU的设计与实现 ALU的功能 根据控制信号ALUctr[2:0]，将输入端口的两个32位的数据进行加、减、与、或操作，并判断结果是否为0 ALU的输入输出 输入：A[31:0]，B[31:0]，ALUctr[2:0] 输出：OUT[31:0]，Zero ALU的实现 将运算器实验中实现的加减法扩展为32位

增加32位与、或功能 增加结果判零电路 根据ALUctr[2:0]信号确定ALU的输出 图表4 加法器的设计与封装 （由于上一个实验已做成ALU，这里不再赘述加法器的制作） 根据ADD/SUB信号判断实现加法或是减法，并且设置Zero 项输出，用作Beq指令的判定依据

单周期CPU设计参考

单周期CPU及其Verilog HDL设计 一、指令的设计 MIPS32的指令的三种格式的参考： R类型： I类型： J类型: R类型指令的op为0，具体操作由func指定。rs和rt是源寄存器号，rd是目的寄存器号。只有移位指令使用sa来指定移位位数。I类型指令的低16位是立即数，计算时要把它扩展到32位。依指令的不同，有零扩展和符号扩展两种。J类型指令右边26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。具体的指令格式和内容请参考MIPS32。 设计报告中需自行设计所有指令的二进制格式和对应的汇编指令格式。 二、单周期CPU的设计 我们把时钟的电平从低到高变化的瞬间称为时钟上升沿，两个相邻时钟上升沿之间的时间间隔称为一个时钟周期。单周期CPU指的是一条指令的执行在一个这样的时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个周期。 2.1执行一条指令所需的硬件电路 我们的目的地是要设计CPU的硬件电路，使其能够从存储器中读出一条条指令并执行指令所描述的操作。从存储器中读取指令的动作一般与指令本身的意义无关，可以以同样的方法把指令从存储器中取出。而执行指令则与指令本身的意义密切相关，因此最重要是首先搞清楚CPU要执行的每条指令的意义。下面以两种类型的电路来举例。 2.1.1与取指令有关的电路

指令存储在存储器中。CPU取指令时把程序计数器（PC）中的内容作为存储器的地址，根据它来访问存储器，从PC值指定的存储单元中取来一条32位指令。如果取来的指令执行时没有引起转移，PC的值要加4；如果转移，要把转移的目标地址写入PC，以便在下一个时钟周期取出下一条指令。 图2.1 取指令时用到的硬件电路和指令寄存器 如图2.1所示，PC是一个简单的32位寄存器，由32个D触发器构成。指令存储器（Inst Mem）的输入端a是地址、输出端do是数据输出，即指令。图中的加法器专供PC+4使用，它的输出接到多路器的一个输入端。如果取来的指令没有引起转移或跳转，则选择PC+4，在时钟上升沿处将其打入PC；若引起转移或跳转，则用多路器选择下一条指令该打入的PC值。 2.1.2寄存器计算类型指令执行时所需电路 寄存器类型的指令有add等。如图2.2所示是执行它们所需的部分硬件电路。大多数MIPS指令属于三操作数指令。指令格式中的rs和rt是两个5位的寄存器号，由它们从寄存器堆（Regfile）中读出两个32位的数据。由于寄存器号有5位，所以能从32个寄存器中选出一个。32个寄存器合在一起称为寄存器堆（Register File）。从寄存器堆读出的两个32位数据分别被送到ALU的a和b的输入端。 图2.2 执行寄存器计算类型指令所需电路 具体的计算由ALU完成。ALU的计算控制码aluc由控制部件（Control Unit）产生。这里的控制部件是简单的组合电路，输入信号是指令的操作码op和功能码func，输出信号3个，它们分别是ALU的操作码aluc、计算结果是否写入寄存器堆的控制信号wreg和下一条指令的地址选择信号pcsource。ALU的计算结

单周期控制的参考文献

并联单周期控制三相PFC整流器 ——杨晨和科越马斯梅德利, IEEE的高级会员 摘要：并联三相功率因数校正（PFC）整流器，大功率应用是一个关键问题，因为它的功率范围延伸到一个更高的水平，并允许采用模块化设计,这对于电流共享和循环电流控制模块之间的技术来说是一个挑战。本文在两个并联整流器上研究这些现象，提出了一种新的电流共享的方法基于单周期控制（OCC）与向量运算和双极性操作。原来的OCC电路和各个模块之间的通信路径中，输入电流共享和循环电流是有限的，而OCC优点，如恒定的开关频率，没有乘法器，和简单的电路，将被保留。两个OCC PFC整流器各为2.5千瓦的建造和使用提出的并联方法绑在一起。实验已经证明了这种方法的简单性和有效性。 索引条款：循环电流，电流共享，单周期控制（OCC），并联整流，功率因数校正（PFC），向量运算。 一、引言 对于高功率应用，三相电源常用在交流 - 直流的情况下，通常有两种配置，一个是三个单相功率因数校正（PFC）整流器的组合，另一个是三相PFC整流器。后者具有独特的优势。首先，能流是恒定的，这可以降低电容器的数目和大小;第二，更少的使用交换机;第三，由于较高的效率，降低了开关损耗和传导损耗，而且，单周期控制（OCC）技术的控制电路与三相整流的控制电路一样的简单。 此外，三相PFC整流器并联运行的功率范围延伸到一个更高的水平，并允许模块化的设计。以往，N 1模块目的用于处理冗余，以提高系统的可靠性。然而，并联仍然不无风险。相关的并行PFC整流器在三相系统中有两个主要问题，如下所示：1）所有的模块的电流共享2）产生的相位不同的并联模块的循环电流。已经报道了许多方法以解决第一个问题。在所有的方法中，“自动主”（或称为“民主的电流共享”）方法得到广泛的普及，因为其简单，易于扩展的。然而，其局限性是互连参考总线之间需要的所有模块直接电流调节。至于循环电流而言，有许多文献致力于研究其抑制方案。在文献[7]中，一个三相隔离变压器是用来阻止分离每个PFC模块的输入的循环电流的通路。但是，变压器的笨重，尤其是对于高功率应用。在文献[8]，循环路径的阻抗间增加电抗器。此方法用于高频循环电流是有效的。对于在低的频率，例如两个不同的模块的拍频电流，该反应器可以是太笨重。在文献[9]和[10]，所有模块之中，将它们作为一个单一转换器的部分插入同步控制。然而，这种方法需要一些高频的通信信号，是容易受噪声污染的，并且转换器的安装不灵活。第[11]文献提出一个非零向量空间矢量调制（SVM），以避免循环电流当并联PFC整流器间断SVM控制的可能性。它虽然不连续，但支持向量有效地降低了开关损耗，不连续的6个区域的边界处的平均占空比给了循环电流一个机会，因为在连续的区域中使用两种类型的零矢量。然而，非零矢量SVM的方法给出了一个较大的电流纹波。第[13]文献，在零矢量的占空比的控制变量引入并联PFC整流器的平均模型的基础上。通过控制零矢量的持续时间与一阶的电流控制回路，循环的电流可以被极大地抑制。为了改善瞬态表现所提出的方法，文章[14]提出的连续和离散变结构控制方法，这是基于DQ变换的信息。 [11]，[13]，[14]，以DSP或微处理器为基准计算，向量选择，或转

单周期CPU设计

短学期综合实验报告 实验名称：单周期CPU设计 院系：信息科学与工程学院 专业：计算机科学与技术 组员：XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX 指导老师：XXXXXXX 二〇一一年七月八日

摘要 中央处理器（CPU）是计算机取指令和执行指令的部件，它是由算术逻辑单元（ALU）、寄存器和控制器组成，简称处理器（或CPU），CPU是计算机系统的核心部件，在各类信息终端中得到了广泛的应用。处理器的设计及制造技术也是计算机技术的核心之一。 CPU设计的第一步应当根据指令系统来建立数据路径，再定义各个部件的控制信号，确定时钟周期，完成控制器的设计。然后建立数据路径，进而可以进行数字设计、电路设计，最后完成物理实现。而在本次试验中，我们研究的重点是数据路径的建立和控制器的实现。 一个机器的性能由三个关键因素决定：指令数、时钟周期，以及执行每条指令所需的时钟周期数（CPI）。然而不论是时钟周期，还是每条指令所需的时钟周期数目，都是由处理器的实现情况决定的。在本次试验中，我们构造了单周期的数据路径和组合逻辑实现的控制器。 本次试验中，我们运用Quartus II 8.0软件设计出了一个拥有6条指令的单周期CPU，并对它进行了简单的测试，最终完成了一个正确的单周期CPU的设计。 关键词：数据路径，控制器，控制信号，单周期

Abstract Central processing unit (CPU) is a computer instruction fetch and execution of components, it is an arithmetic logic unit (ALU), registers and a controller, referred to as the processor (or CPU), CPU is the core component of computer systems in all type information terminal has been widely used. Processor design and manufacturing technology is one of the core computer technology. The first step should be based on CPU design instruction to create a data path, and then define the various components of the control signals to determine the clock cycle, the controller design. Then set up a data path, and then can be digital design, circuit design, physical implementation finalized. In this experiment, the focus of our research is to establish the data path and controller implementation. The performance of a machine consists of three key factors: the number of instructions, clock cycles to execute each instruction as well as the required number of clock cycles (CPI). Whether it be a clock cycle, each instruction or the number of clock cycles required are determined by the achievement of the processor. In this study, we constructed single-cycle data path and the combinational logic to achieve the controller. This experiment, we use Quartus II 8.0 software to design a single-cycle instruction with 6 CPU, and it conducted a simple test, the

计算机组成原理实验报告 单周期CPU的设计与实现

1个时钟周 期 Cloc k 电子科技大学计算机科学与工程学院 标 准 实 验 报 告 （实验）课程名称： 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表 电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 郫县尼克杨 学 号： 2014 指导教师：陈虹 实验地点： 主楼A2-411 实验时间：12周-15周 一、 实验室名称： 主楼A2-411 二、 实验项目名称： 单周期CPU 的设计与实现。 三、 实验学时： 8学时 四、 实验原理： （一） 概述 单周期（Single Cycle ）CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。 一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。对于单周期CPU 来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。 （二） 单周期cpu 总体电路 本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。

（三） MIPS 指令格式化 MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。 MIPS 的指令格式为32位。下图给出MIPS 指令的3种格式。 本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。 五、 实验目的 1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、运算器等。? 2、认识和掌握指令与CPU 的关系、指令的执行过程。? 3、熟练使用硬件描述语言Verilog 、EDA 工具软件进行软件设计与仿真，以培养学生的分析和设计CPU 的能力。 六、 实验内容 （一）拟定本实验的指令系统，指令应包含R 型指令、I 型指令和J 型指令，指令数为9条。 （二）CPU 各功能模块的设计与实现。 （三）对设计的各个模块的仿真测试。 （四）整个CPU 的封装与测试。 七、 实验器材（设备、元器件）： （一）安装了Xilinx ISE Design Suite 13.4的PC 机一台 （二）FPGA 开发板：Anvyl Spartan6/XC6SLX45 （三）计算机与FPGA 开发板通过JTAG （Joint Test Action Group ）接口连接，其连接方式如图所示。 八、 实验步骤 一个CPU 主要由ALU （运算器）、控制器、寄存器堆、取指部件及其它基本功能部件等构成。? 在本实验中基本功能部件主要有：32位2选1多路选择器、5位2选1多路选择器、32位寄存器堆、ALU 等。 （一）新建工程（New Project ） 启动ISE Design Suite 13.4软件，然后选择菜单File →New Project ，弹出New 26 31 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0 op rs rt rd sa func R 型指令 26 31 25 21 20 16 15 0 op rs rt immediate I 型指令 26 31 25 0 op address J 型指令

基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术

基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术 单周期控制交互式PFC 数字控制 1引言 单周期控制技术是一种大信号、非线性PWM控制技术[1]，具有较快的动态响应速度和输入扰动抑制特性，其基本控制思想是通过控制开关器件的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。单周期PFC电路无需传统PFC电路中的乘法器和输入电压采样，大大简化了PFC电路的设计、缩小了PFC电路的体积、降低了电路成本。数字实现的单周期功率因数校正技术在保证模拟单周期PFC技术优点的同时，克服了模拟单周期PFC技术控制参数固定、控制参数适应范围小的问题，正在得到越来越广泛的关注。 交互式功率因数校正技术就是为了增加大功率PFC变换器功率密度以及减小电感和电容的体积而设计的。交互式PFC不仅能够有效减小电感量，而且有利于减小输出电容的纹波电流大小，因此在大功率PFC电路中得到较多的应用。本文提出了一种基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术，并对其进行了分析和研究。 2单周期交互式PFC数字控制原理 2.1 单周期PFC技术原理 交互式PFC是两路独立的以180度相位差输出的变换器。由于它们的交互式工作，所以它们的纹波可以彼此进行对消，从而减小输入的纹波电流。图1为单周期实现的交互式PFC变换器控制原理框图。 图1 单周期实现的交互式PFC原理框图 单周期PFC变换器的控制目标就是使图1中的变换器输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保持输出电压稳定到给定值。

假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻Re，于是可以得到： (1) 式中Re为PFC变换器的等效电阻，ig为电感电流瞬时值，ug为整流器输出直流电压瞬时值。 对于Boost型PFC变换器来说，在一个开关周期内，其输入电压ug、输出电压Uo和开关管占空比D的关系为： (2) 所以可以得到： (3) 定义Rs为PFC变换器中等效电流检测电阻，则有： (4) 令，代入公式(4)可得： (5) 式中T为开关周期。 可以构造以下控制方程组： (6)