本系列所有演示實驗均出自由東南大學(xué)湯勇明教授、張圣清教授與Xilinx大學(xué)計劃經(jīng)理陸佳華先生所編著的教材《搭建你的數(shù)字積木·數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(Verilog HDL&Vivado版)》。此教材為教育部Xilinx公司產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革重點支持項目，并作為Xilinx公司大學(xué)計劃指定教材。

本書系統(tǒng)論述了數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的理論、方法與實踐技術(shù)。全書基于Verilog HDL與Vivado開發(fā)環(huán)境，共18章，詳盡介紹了如下內(nèi)容： 邏輯設(shè)計與Vivado基礎(chǔ)、布爾代數(shù)與Verilog HDL基礎(chǔ)、組合邏輯電路設(shè)計基礎(chǔ)、時序邏輯電路設(shè)計基礎(chǔ)、有限狀態(tài)機設(shè)計基礎(chǔ)、邏輯設(shè)計工程技術(shù)基礎(chǔ)、Vivado數(shù)字積木流程、串行通信接口控制器、RAM接口控制器、字符點陣顯示模塊接口控制器、VGA接口控制器、數(shù)字圖像采集、數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計案例、單周期CPU設(shè)計案例、數(shù)字信號處理設(shè)計案例（FIR）、數(shù)字圖像處理設(shè)計案例、大學(xué)生FPGA設(shè)計案例以及Xilinx資源導(dǎo)讀。

為便于教師和廣大讀者學(xué)習(xí)與動手實踐，本書配套提供了教學(xué)課件、教學(xué)視頻及程序代碼等教學(xué)資源。本書適合作為普通高等院校電子信息類、電氣信息類、自動化類專業(yè)的本科生教材，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生參考教材，并適合作為電子與電氣工程技術(shù)領(lǐng)域的科研工程技術(shù)人員的參考用書。

本實驗介紹32位單周期處理器設(shè)計，并在EGO1開發(fā)板上實現(xiàn)。

本實驗用以下模塊來實現(xiàn)：

ALU：ALU算術(shù)邏輯單元，是處理器中的一個重要功能模塊，用來執(zhí)行多組加減乘除等算術(shù)運算以及或與非等邏輯運算。算術(shù)邏輯單元的操作和種類由控制器覺定，處理的數(shù)據(jù)來自存儲器，處理后的結(jié)果送回存儲器或者暫存于算術(shù)邏輯單元中。ALU框圖如下所示,alu為控制信號，包括了ALU需要執(zhí)行的運算的命令，a和b為兩個輸入，r是運算結(jié)果，z為carry。

REGFILE:一個32位深度的寄存器文件，用于緩存來自memory或ALU的數(shù)據(jù)指令op和func將被轉(zhuǎn)換成wreg、regrt、shift等信號，如下圖所示：

DATAPATH: DATAPATH用于連接所有的子模塊，同時具備指令計數(shù)器的功能，其框圖如下圖所示：

INSTMEM:instruction memory,指令儲存器，用于存放工程的測試指令。

DATAMEM:用于存儲所有工程測試數(shù)據(jù)例如ALU計算結(jié)果等。輸入為寫使能、時鐘、地址以及寫入的數(shù)據(jù)，輸出為data_out信號，其框圖如下所示：

KEY2INST:將開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為CPU的指令。

SHOWONLED:將最終計算結(jié)果或者開關(guān)狀態(tài)按照預(yù)先設(shè)定好的模式通過LED展示給用戶。輸入計算結(jié)果和開關(guān)狀態(tài)，輸出為控制LED的信號，其框圖如下所示：

通過本實驗，可實現(xiàn)一個CPU，根據(jù)輸入的指令控制LED燈。

實驗資料：可以通過github下載，下載鏈接請點擊這里。

代碼說明：本實驗的代碼已經(jīng)全部封裝成IP核，用戶只需將IP核調(diào)用并正確連續(xù)即可，MIPS_CPU.xdc為本實驗的管腳約束文件。

1. 本實驗使用Vivado 2017.1 進(jìn)行開發(fā),開發(fā)界面如下。如果您未安裝vivado，安裝流程請點擊這里。

   

2.實驗RTL視圖：

3.代碼綜合后效果圖：

4. 代碼實現(xiàn)后效果圖：

具體vivado步驟請參看之前的微信文章，文章鏈接請點擊這里。

將代碼下載到板卡后，可按照下面的操作實現(xiàn)一個簡單的加法運算，兩個家數(shù)分別為16位的0000000100000000和16位的0000000000000000，操作過程如下：

1. 將B14-B0設(shè)置為0，將B15設(shè)置為0，然后再設(shè)置為1，完成系統(tǒng)復(fù)位。

2. 將B9-B8設(shè)置為10，將B7-B0設(shè)置為00000001，然后將B13設(shè)置為1后馬上設(shè)置為0，目的是加載data+bh。

3. 將B9-B8設(shè)置為11，將B7-B0設(shè)置為00000000，然后將B13設(shè)置為1后馬上設(shè)置為0，目的是加載data_bl。

4. 將B9-B8設(shè)置為00，將B7-B0設(shè)置為00000000，然后將B13設(shè)置為1后馬上設(shè)置為0，目的是加載data_ah。

5. 將B9-B8設(shè)置為01，將B7-B0設(shè)置為00000000，然后將B13設(shè)置為1后馬上設(shè)置為0，目的是加載data_al。

6. 將B12-B10設(shè)置為000，這樣就選擇了加法運算模式。然后將B14設(shè)置為1，此時CPU運行運算，結(jié)果為0000000100000000,此時的結(jié)果將顯示在16位LED上。