实验类型
本实验为设计型实验。
实验目的
① 具有多周期控制器的设计能力。
② 掌握用 Verilog HDL 实现有限状态机的常用方法。
③ 熟悉 Vivado 的设计流程，具备硬件的设计仿真和测试能力。
④ 测试多周期控制器的功能。
实验原理
```
 控制器是CPU 的重要组成部分，是整个计算机的控制核心。控制器的功能是按照程序预定的顺序执行每条指令。每条指令都是在控制器的控制下按照取指令、分析指令和执行指令的步骤依次完成的， 这就需要控制器必须在正确的时间准确地产生各部件的控制信号， 使计算机能够有条不紊地完成所有指令的功能。
```
多周期 CPU 把指令执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期内完成，如取指、译码、执行、访存、写回。此时，不同指令所用周期数可以不同，每个周期只做一部分操作。将 CPU 划分为多周期的优势在于，每个时钟周期内 CPU 需要做的工作就变少，因此时钟周期短、时钟频率高；每个部件做的事情单一，如取指部件只负责从指令存储器中取出指令，因此 CPU 可以进行流水工作，相当于一个时钟周期完成一条指令， CPU 可以更快地运行。
多周期 MIPS CPU 的控制部件的状态转移如下图所示，每个状态对应一个周期。

本实验根据状态及指令直接对控制信号赋值，中间变量 next_state 意为下一状态。在当前状态中，根据指令对 next_state 赋值，并在每个时钟上升沿把 next_state 存入状态寄存器，这是用 Verilog HDL 实现有限状态机时常用的方法。
实验内容和要求
① 学习 MIPS 指令集，深入理解常用指令的功能和编码，并进行归纳确定处理器各部件的控制码，如使用何种运算、是否写寄存器堆等。
② 参考附录 E，根据本实验准备实现的 20 条 MIPS 指令和最后一行跳转指令的示例，将下表补充填写完整。
指令类型汇编指令指令码源操作数1 源操作数2 目的寄存器功能描述
R型指令 add rd, rs, rt 000000 rs | rt | rd | 00000|100000

I型指令 addi rt, rs, imm 001000 rs|rt|imm

J型指令 j target 000010 | target PC target PC 跳转
PC={PC[31:28],target,2’b00}
③ 自行设计本实验的方案，多周期 MIPS CPU 的控制部件的大致结构如下图所示。

④ 根据设计的实验方案，使用 Verilog HDL 编写相应代码。
⑤ 对编写的代码进行仿真，得到正确的波形图。
⑥ 将以上设计作为一个单独的模块，设计一个外围模块去调用该模块，如下图所示。

外围模块中需调用封装好的 LCD 触摸屏模块，观察多周期 CPU 的控制器的状态和各输出控制信号的值等，并且需要利用触摸功能输入指令的操作码、功能码，以达到实时观察控制信号变化的效果。通过这些手段，可以在实验箱上充分验证 CPU 的正确性。
⑦ 将编写的代码进行综合布局布线，并下载到 FPGA 实验箱上进行硬件测试，做好实验记录，验证此设计的功能。
⑧ 参考附录 C 的格式撰写实验报告，实验报告内容包括：程序设计、仿真分析、硬件测试和实验操作步骤，以及源程序代码、仿真波形图、数据记录和实验结果分析等。

源代码

mccu.v:
module mccu (op,func,z,clock,resetn,wpc,wir,wmem,wreg,iord,regrt,m2reg,aluc,shift
,alusrca,alusrcb,pcsource,jal,sext,state); input [5:0] op,func; input z,clock,resetn; output reg wpc,wir,wmem,wreg,iord,regrt,m2reg; output reg [3:0] aluc; output reg [1:0] alusrcb,pcsource; output reg shift,alusrca,jal,sext; output reg [2:0] state; reg [2:0] next_state; parameter [2:0] sif = 3'b000, sid = 3'b001, sexe = 3'b010, smem = 3'b011, swb = 3'b100; wire r_type,i_add,i_sub,i_and,i_or,i_xor,i_sll,i_srl,i_sra,i_jr; wire i_addi,i_andi,i_ori,i_xori,i_lw,i_sw,i_beq,i_bne,i_lui,i_j,i_jal; //and(r_type,~op[5],~op[4],~op[3],~op[2],~op) ;and(r_type,~op[5],~op[4],~op[3],~op[2],~op[1],~op[0]); and(i_add,r_type,func[5],~func[4],~func[3],~func[2],~func[1],~func[0]); and(i_sub,r_type,func[5],~func[4],~func[3],~func[2],func[1],~func[0]); and(i_and,r_type,func[5],~func[4],~func[3],func[2],~func[1],~func[0]); and(i_or,r_type,func[5],~func[4],~func[3],func[2],~func[1],func[0]); and(i_xor,r_type,func[5],~func[4],~func[3],func[2],func[1],~func[0]); and(i_sll,r_type,~func[5],~func[4],~func[3],~func[2],~func[1],~func[0]); and(i_srl,r_type,~func[5],~func[4],~func[3],~func[2],func[1],~func[0]); and(i_sra,r_type,~func[5],~func[4],~func[3],~func[2],func[1],func[0]); and(i_jr,r_type,~func[5],~func[4],func[3],~func[2],~func[1],~func[0]); and(i_addi,~op[5],~op[4],op[3],~op[2],~op[1],~op[0]); and(i_andi,~op[5],~op[4],op[3],op[2],~op[1],~op[0]); and(i_ori,~op[5],~op[4],op[3],op[2],~op[1],op[0]); and(i_xori,~op[5],~op[4],op[3],op[2],op[1],~op[0]); and(i_lw,op[5],~op[4],~op[3],~op[2],op[1],op[0]); and(i_sw,op[5],~op[4],op[3],~op[2],op[1],op[0]); and(i_beq,~op[5],~op[4],~op[3],op[2],~op[1],~op[0]); and(i_bne,~op[5],~op[4],~op[3],op[2],~op[1],op[0]); and(i_lui,~op[5],~op[4],~op[3],op[2],op[1],op[0]); and(i_j,~op[5],~op[4],~op[3],~op[2],op[1],~op[0]); and(i_jal,~op[5],~op[4],~op[3],~op[2],op[1],op[0]); wire i_shift; or (i_shift,i_sll,i_srl,i_sra); always @ * begin wpc = 0; wir = 0; wmem = 0; wreg = 0; iord = 0; aluc = 4'bx000; alusrca = 0; alusrcb = 2'h0; regrt = 0; m2reg = 0; shift = 0; pcsource = 2'h0; jal = 0; sext = 1; case (state) sif:begin wpc = 1; wir = 1; alusrca = 1; alusrcb = 2'h1; next_state = sid; end sid:begin if(i_j)begin pcsource = 2'h3; wpc = 1; next_state = sif; end else if(i_jal)begin pcsource = 2'h3; wpc = 1; jal = 1; wreg = 1; next_state = sif; end else if(i_jr)begin pcsource = 2'h2; wpc = 1; next_state = sif;
end

mccu_display.v:
//*************************************************************************
// > 文件名: mccu_display.v
// > 描述 ：mccu 显示模块，调用 FPGA 板上的 IO 接口和触摸屏
//*************************************************************************
module mccu_display(//时钟与复位信号input clk,input resetn, //后缀"n"代表低电平有效
//脉冲开关，用于产生脉冲 clk，实现单步执行input btn_clk,//拨码开关，用于选择输入数input [1:0] input_sel, //00:输入为控制信号(op)//10:输入为源操作数 1(func)//11:输入为源操作数 2(z)//触摸屏相关接口，不需要更改output lcd_rst,output lcd_cs,output lcd_rs,output lcd_wr,output lcd_rd,inout[15:0] lcd_data_io,output lcd_bl_ctr,inout ct_int,inout ct_sda,output ct_scl,output ct_rstn);//-----{时钟和复位信号}begin
//不需要更改，用于单步调试wire cpu_clk; //多周期 CPU 里使用脉冲开关作为时钟，以实现单步执行
reg btn_clk_r1;
reg btn_clk_r2;always @(posedge clk)beginif (!resetn)beginbtn_clk_r1<= 1'b0;endelsebeginbtn_clk_r1 <= ~btn_clk;endbtn_clk_r2 <= btn_clk_r1;end
wire clk_en;assign clk_en = !resetn || (!btn_clk_r1 && btn_clk_r2);BUFGCE cpu_clk_cg(.I(clk),.CE(clk_en),.O(cpu_clk));
//-----{时钟和复位信号}end
//-----{调用 mccu 模块}beginreg [5:0] op; // 操作码reg [5:0] func; // 功能码//-----{此处省略，请自己编写} ALU 结果为零标志reg z;wire [3:0] aluc; // ALU 控制信号wire [1:0] alusrcb, pcsource;wire shift,alusrca,jal,sext,wpc,wir,wmem,wreg,iord,regrt,m2reg;wire [2:0] state;mccu m(.op(op),.func(func),.z(z),.clock(cpu_clk),.resetn(resetn),.wpc(wpc),.wir(wir),.wmem(wmem),.wreg(wreg),.iord(iord),.regrt(regrt),.m2reg(m2reg),.aluc(aluc),.shift(shift),.alusrca(alusrca),.alusrcb(alusrcb),.pcsource(pcsource),.jal(jal),.sext(sext),.state(state)//-----{此处省略，请自己编写}
);//-----{调用 mccu 模块}end
//---------------------{调用触摸屏模块}begin--------------------//
//-----{实例化触摸屏}begin
//此小节不需要更改reg display_valid;reg [39:0] display_name;reg [31:0] display_value;wire [5 :0] display_number;wire input_valid;wire [31:0] input_value;lcd_module lcd_module(.clk (clk ), //10Mhz.resetn (resetn ),//调用触摸屏的接口.display_valid (display_valid ),.display_name (display_name ),.display_value (display_value ),.display_number (display_number),.input_valid (input_valid ),.input_value (input_value ),//lcd 触摸屏相关接口，不需要更改.lcd_rst (lcd_rst ),.lcd_cs (lcd_cs ),.lcd_rs (lcd_rs ),.lcd_wr (lcd_wr ),.lcd_rd (lcd_rd ),.lcd_data_io (lcd_data_io ),.lcd_bl_ctr (lcd_bl_ctr ),.ct_int (ct_int ),.ct_sda (ct_sda ),.ct_scl (ct_scl ),.ct_rstn (ct_rstn ));
//-----{实例化触摸屏}end
//-----{从触摸屏获取输入}begin
//根据实际需要输入的数修改此小节，
//建议对每一个数的输入，编写单独一个 always 块//当 input_sel 为 00 时，表示输入 opalways @(posedge clk)beginif (!resetn)beginop <= 4'd0;endelse if (input_valid && input_sel==2'b00)beginop <= input_value[5:0];endendalways @(posedge clk)beginif (!resetn)beginfunc <= 4'd0;endelse if (input_valid && input_sel==2'b01)beginfunc <= input_value[5:0];endendalways @(posedge clk)beginif (!resetn)beginz <= 4'd0;endelse if (input_valid && input_sel==2'b11)beginz <= input_value[0];endend//-----{此处省略，请自己编写}
//-----{从触摸屏获取输入}end
//-----{输出到触摸屏显示}begin
//根据需要显示的数修改此小节，
//触摸屏上共有 44 块显示区域，可显示 44 组 32 位数据
//44 块显示区域从 1 开始编号，编号为 1~44，always @(posedge clk)begincase(display_number)6'd1 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "OP";display_value <= op;end6'd2 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "FUNC";display_value <= func;end6'd3 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "Z";display_value <= z;end6'd4 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "STATE";display_value <= state;end6'd5 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "WPC";display_value <= wpc;end6'd6 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "WIR";display_value <= wir;end6'd7 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "WMEM";display_value <= wmem;end6'd8 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "WREG";display_value <= wreg;end6'd9 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "IORG";display_value <= iord;end6'd10 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "REGRT";display_value <= regrt;end6'd11 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "M2REG";display_value <= m2reg;end6'd12 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "ALUC";display_value <= aluc;end6'd13 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "SHIFT";display_value <= shift;end6'd14 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "ALUSRCA";display_value <= alusrca;end6'd15 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "ALUSRVB";display_value <= alusrcb;end6'd16 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "PCSOURCE";display_value <= pcsource;end6'd17 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "JAL";display_value <= jal;end6'd18 :begindisplay_valid <= 1'b1;display_name <= "SEXT";display_value <= sext;
end//-----{此处省略，请自己编写}default :begindisplay_valid <= 1'b0;display_name <= 40'd0;display_value <= 32'd0;endendcaseend
//-----{输出到触摸屏显示}end
//----------------------{调用触摸屏模块}end---------------------//
endmodule

mccu.xdc:
#时钟信号连接
set_property PACKAGE_PIN AC19 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]#脉冲开关，用于输入作为复位信号，低电平有效
set_property PACKAGE_PIN Y3 [get_ports resetn]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports resetn]#脉冲开关，用于输入作为单步执行的clk
set_property PACKAGE_PIN Y5 [get_ports btn_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports btn_clk]#拨码开关连接，用于输入
set_property PACKAGE_PIN AC21 [get_ports input_sel[1]]
set_property PACKAGE_PIN AD24 [get_ports input_sel[0]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports input_sel[1]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports input_sel[0]]#触摸屏引脚连接
set_property PACKAGE_PIN J25 [get_ports lcd_rst]
set_property PACKAGE_PIN H18 [get_ports lcd_cs]
set_property PACKAGE_PIN K16 [get_ports lcd_rs]
set_property PACKAGE_PIN L8 [get_ports lcd_wr]
set_property PACKAGE_PIN K8 [get_ports lcd_rd]
set_property PACKAGE_PIN J15 [get_ports lcd_bl_ctr]
set_property PACKAGE_PIN H9 [get_ports {lcd_data_io[0]}]
set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports {lcd_data_io[1]}]
set_property PACKAGE_PIN J20 [get_ports {lcd_data_io[2]}]
set_property PACKAGE_PIN M17 [get_ports {lcd_data_io[3]}]
set_property PACKAGE_PIN L17 [get_ports {lcd_data_io[4]}]
set_property PACKAGE_PIN L18 [get_ports {lcd_data_io[5]}]
set_property PACKAGE_PIN L15 [get_ports {lcd_data_io[6]}]
set_property PACKAGE_PIN M15 [get_ports {lcd_data_io[7]}]
set_property PACKAGE_PIN M16 [get_ports {lcd_data_io[8]}]
set_property PACKAGE_PIN L14 [get_ports {lcd_data_io[9]}]
set_property PACKAGE_PIN M14 [get_ports {lcd_data_io[10]}]
set_property PACKAGE_PIN F22 [get_ports {lcd_data_io[11]}]
set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports {lcd_data_io[12]}]
set_property PACKAGE_PIN G21 [get_ports {lcd_data_io[13]}]
set_property PACKAGE_PIN H24 [get_ports {lcd_data_io[14]}]
set_property PACKAGE_PIN J16 [get_ports {lcd_data_io[15]}]
set_property PACKAGE_PIN L19 [get_ports ct_int]
set_property PACKAGE_PIN J24 [get_ports ct_sda]
set_property PACKAGE_PIN H21 [get_ports ct_scl]
set_property PACKAGE_PIN G24 [get_ports ct_rstn]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rst]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_cs]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rs]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_wr]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_rd]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports lcd_bl_ctr]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[8]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[9]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[10]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[11]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[12]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[14]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {lcd_data_io[15]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_int]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_sda]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_scl]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports ct_rstn]

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