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计算机组成原理实验实验报告-单周期CPU设计参考

《计算机组成原理实验》

实验报告

(实验二)

学院名称：学生姓名：学号：专业(班级)：时间：2017年04月25日

成绩:实验二：单周期CPU设计

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。

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)addu 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)

rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs + rt。reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。

(2)addiu rt , rs ,immediate

rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs + (zero-extend)immediate；immediate符号扩展再参加“加”运算。

(3)subu rd , rs , rt

rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved完成功能：rd←rs - rt

==> 逻辑运算指令

(4)ori rt , rs ,immediate

rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate做“0”扩展再参加“或”运算。

(5)and rd , rs , rt

rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs & rt；逻辑与运算。

(6)or rd , rs , rt

rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。

==> 存储器读/写指令

(7)sw rt ,immediate(rs) 写存储器

rs(5位)rt(5位)immediate(16位) 功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。

(8) lw rt , immediate(rs) 读存储器

rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt ← memory[rs + (sign-extend)immediate]；immediate符号扩展再相加。

==> 分支指令

(9)bne rs,rt,immediate

rs(5位)rt(5位)immediate(位移量，16位)>>2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”。

==> 停机指令

(10)halt

0000(26位)功能：停机；不改变PC的值，PC保持不变。

实验原理

单周期CPU指的是一条指令的执行在一个时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个时钟周期完成。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。时钟周期一般也称振荡周期(如果晶振的输出没有经过分频就直接作为CPU的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期。若振荡周期经二分频后形成时钟脉冲信号作为CPU的工作时钟，这样，时钟周期就是振荡周期的两倍。)

CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个步骤：

(1) 取指令(IF)：根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时，PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入PC，当然得到的“地址”需要做些变换才送入PC。

(2) 指令译码(ID)：对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。

(3) 指令执行(EXE)：根据指令译码得到的操作控制信号，具体