计算机组成原理实验1——寄存器组的设计

实验一  寄存器组的设计

叠甲：本人三本985大二差生，什么都不会，文章都是自己的学习记录，没有任何参考价值，难免有不少错误，请大家轻点喷。

注：实验的quartus实现可联系我提供，实验报告中原理和实现过程已经很清晰，自己实现对学习更有帮助。

一、实验内容

（1）测试D触发器的功能。

（2）设计具有1个读端口、1个写端口的4×8位寄存器组，并验证设计正确性。

二、电路设计与实现

（提示：主要包括需求分析、模块划分、引脚组织，以及器件选择、信号命名及电路组成，注意描述分析与设计的过程）

1. 第一部分：D触发器功能的测试

1. 需求分析

触发器功能的测试包括电路实现、电路仿真及结果分析几个步骤，仿真时先采用功能仿真方式得到结果并分析，再采用时序仿真方式模拟时序的仿真结果。

1. 引脚组织及命名

电路由1个lpm_dff，输入引脚Din[7..0]、Clk、Wr、aclr、aset，输出引脚Dout[7..0]构成。

1. 器件选择

Lpm_dff一个，input引脚，output引脚。

1. 电路组成

 

1. 第二部分：寄存器组的设计、实现及验证

1. 需求分析

由于寄存器组包含4个8位寄存器，故操作时的地址引脚为log24＝2位、数据引脚为8位。由于要求读/写端口分离，寄存器所存信息的读出无需信号控制，故寄存器组可同时进行读、写操作。

1. 模块划分

寄存器组大致分为三个模块：写地址、数据的输入、数据的输出。

1. 引脚组织

读操作相关引脚为地址引脚raddr[1..0]、数据输出引脚q[7..0]，写操作相关引脚为地址引脚waddr[1..0]、数据输入引脚data[7..0]、写使能引脚wen、时钟脉冲引脚Clk，清零操作相关引脚为清零引脚Clr。

1. 器件选择

Input引脚若干，output引脚一个，lpm_decode译码器一个，lpm_dff触发器4个，lpm_mux数据选择器一个。

1. 分析与设计过程

在写操作中，通过waddr[1..0]译码来选择寄存器，通过wen、Clk实现写入控制。将4个D触发器的数据信号端相连，作为数据输入阶段的输入信号。在读操作通过raddr[1..0]选择目标寄存器。数据输出的选择可使用选择器来实现；清零操作通过Clr来控制。

（6）电路组成

 

三、电路正确性验证

1、电路仿真

1. 第一部分：D触发器功能的测试 

（提示：主要包括测试数据组织[应可枚举所有功能、输出结果]、仿真结果）

 

加入10ns的时钟信号，预先设置几个Din的值，当Wr为高电平是并遇到CLK上升时，Dout读出结果

（2）第二部分：寄存器组的设计、实现及验证

 

在时钟0~10ns中，wen为低电平，未写入，结果为0；

在时钟10~40ns中，wen为高电平，raddr为0，此时第0个触发器写入的是0，故结果为0；

在时钟40~55ns时，wen为高电平，raddr为1，此时第1个触发器写入的时1，结果为1；

在到了时钟上升沿时，写入数据变为5，第一个寄存器存储结果变为5，结果为5；

2、结果分析

（提示：主要包括测试数据的预期结果计算、与仿真结果的一致性比较，不一致的原因[需真实反映各种错误(如计算错误/数据错误/原理理解错误等)]）

1. 第一部分：D触发器功能的测试

    D触发器功能正常。

1. 第二部分：寄存器组的设计、实现及验证

成功完成寄存器组的设计、实现及验证。

四、实验小结

（提示：主要包括工作分工、设计总结、有待改进之处、实验体会）

（1）本次实验由一人小组独立完成。

（2）由于第二组实验中数据第一次设置的不合理，在助教姐姐的提醒下，发现赋值不能体现出2,4号寄存器的作用，重新进行了数据赋值，考虑不全面。

（3）本次实验作为第一次实验，内容比较简单，更多的让自己再次熟悉了quartus的操作，以及对于电路图的符号化处理以实现复用环节，实验较为成功。