CPU设计实验报告

合集下载

CPU程序设计实验报告

【指令系统汇总】
指令名称助记符功能指令格式
【检测程序】
【实验心得】
我从这次的试验中收获良多，动手能力得到了大大的提升，以前总是光说不练，而这次从设计到烧芯片，再到调试，纠错都要由自己来完成，其中遇到许多了问题，解决它们使我受益颇多。

首先写再填代码表的时候，由于表格过密，一不小心就有填串的危险，即使我很注意这点，但还是犯了这个错误，填完后我又查了2遍才将错误全部改正，只是对耐心巨大的考验，我从中学到了踏实做事不要心急。

在调试的时候，我遇到了几个比较棘手的问题，当时死活解决不了，静下心后，我发现我填的表本身就是错的，然后我从新翻书改正了它，所当一条路走不通的时候，静下心来从另外一个角度尝试是一个很好的选择。

实验4 简单CPU设计与仿真

预做实验报告4简单CPU设计与仿真一、实验目的理解并掌握CPU的基本电路结构及其设计方法，学会使用Verilog HDL对电路进行行为建模、结构建模以及仿真测试。

二、实验内容利用Verilog HDL设计一个简单的CPU模型，并进行仿真测试。

要求该处理机能够实现下列指令系统：31262521201615540指令000000rd rs1rs2and rd,rs1,rs2 000001rd rs1imme andi rd,rs1,imme 000010rd rs1rs2or rd,rs1,rs2 000011rd rs1imme ori rd,rs1,imme 000100rd rs1rs2add rd,rs1,rs2 000101rd rs1imme addi rd,rs1,imme 000110rd rs1rs2sub rd,rs1,rs2 000111rd rs1imme subi rd,rs1,imme 001000rd rs1imme load rd,rs1,imme 001001rd rs1imme store rd,rs1,imme 001010disp bne disp001011disp beq disp001100disp branch disp 要求把指令的执行分为以下5个步骤，每个步骤用一个时钟周期。

1、取指令及PC+1周期2、指令译码、读寄存器及转移周期3、ALU执行或者存储器地址计算周期4、ALU指令结束周期或者存储器访问周期5、写回周期三、实验环境PC机1台、Modelsim仿真软件1套。

四、实验步骤1、电路结构设计与逻辑设计多周期处理机的总体电路图P C寄存器堆ALUABZERO 存储器Addres sDataou t Detain CSOEWE WRITEMEMALUOPZEROWRITEZEROM U XM U X M U X1偏移量符号扩展立即数符号扩展WRITEREG DI AD A1A2Q2Q1SELLOADSELST偏移量立即数Rd rs1rs2RdWRITEPCM U XI RM U XSELLDSTSELALUASELALUBAB IM WRITEIRZEROOPCODE 控制部件控制信2、建立Verilog 模型module TOP(clk,rst,start,memwe,memin,memaddr,zero,n,v,c,dataout);input clk,rst,start,memwe;input [31:0]memin;input [4:0]memaddr;output [31:0]dataout;output n,v,c,zero;wire clk,rst;wire writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,selalua,writezero;wire [5:0]opcode;wire [1:0]aluop,selalub;wire zero;datapathu0(writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,selalua,selalub,aluop,w ritezero,clk,rst,memin,memaddr,memwe,zero,n,v,c,opcode,dataout);controlu1(clk,start,zero,opcode,writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,se lalua,selalub,aluop,writezero);endmodulemoduledatapath(writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,selalua,selalub,alZEROuop,writezero,clk,rst,memin,memaddr,memwe,zero,n,v,c,opcode,dataout); inputwritepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,selalua,writezero,clk,rst,m emwe;input[1:0]selalub,aluop;input[4:0]memaddr;input[31:0]memin;output zero,n,v,c;output[5:0]opcode;output[31:0]dataout;wire[4:0]pcout,address,memaddr,mux3out;wire[31:0]memin,mux4out,mux5out,imme,disp;wire memwe,zero1;wire[31:0]dataout,Q1,datain,irout,f,aluout;pc pc1(pcout,aluout[4:0],writepc,clk,rst);mux21_5mux1(address,pcout,aluout[4:0],selldst);memorymem(dataout,datain,address,writemem,memin,memaddr,memwe,clk,rst);//memin,memaddr,memweÊÇÎªÁËÔÚ¼Ä´æÆ÷ÖÐÊäÈëÊý¾Ý¶øÓÃir ir1(irout,dataout,clk,rst,writeir);mux21_32mux2(f,aluout,dataout,selload);mux21_5mux3(mux3out,irout[4:0],irout[25:21],selst);registerfileregisterfile(Q1,datain,f,clk,rst,writereg,irout[25:21],irout[20:16],mux3out); mux21_32mux4(mux4out,Q1,{27'b0,pcout},selalua);assignimme={irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[1 5],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],irout[15],iro ut[15:0]};assigndisp={irout[25],irout[25],irout[25],irout[25],irout[25],irout[25],irout[25:0]}; mux41_32mux5(mux5out,datain,imme,32'd1,disp,selalub);ALU alu1(aluop,mux4out,mux5out,aluout,n,v,c,zero1);dff zeroflag(zero,zero1,clk,rst,writezero);assign opcode=irout[31:26];endmodulemodulecontrol(clk,start,zero,opcode,writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writer eg,selalua,selalub,aluop,writezero);input clk,start,zero;input[5:0]opcode;output writepc,selldst,writemem,writeir,selload,selst,writereg,selalua,writezero;output[1:0]selalub,aluop;reg[3:0]q;wire[3:0]d;wire zero;always@(posedge clk)beginif(start)q<=4'd0;elseq<=d;endassignd[0]=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&(~opcode[3]&op code[0]))|((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&(opcode[3]&~opcode[2]&~opcode[1]&op code[0]))|(~q[3]&~q[2]&q[1]&q[0])|(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0]);assignd[1]=((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&(~opcode[3]&~opcode[0]))|((~q[3]&~q[2]&~q [1]&q[0])&(~opcode[3]&opcode[0]))|(~q[3]&~q[2]&q[1]&~q[0])|(~q[3]&~q[2]& q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0]);assignd[2]=((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&(opcode[3]&~opcode[2]&~opcode[1]&~opcod e[0]))|((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&(opcode[3]&~opcode[2]&~opcode[1]&opcod e[0]))|(~q[3]&~q[2]&q[1]&~q[0])|(~q[3]&~q[2]&q[1]&q[0]);assignd[3]=(~q[3]&q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]& ~q[0]);assignwritepc=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|((~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])&((opcode[3]& opcode[2]&~opcode[1]&~opcode[0])|(opcode[3]&~opcode[2]&opcode[1]&~opco de[0]&~zero)|(opcode[3]&~opcode[2]&opcode[1]&opcode[0]&zero)));assignselldst=(~q[3]&q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1] &~q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&q[1]&~q[0]);assign writemem=q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0];assign writeir=~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0];assignselload=(~q[3]&q[2]&~q[1]&~q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|(q[3]&~q[2]&q[1] &~q[0]);assign selst=(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0]);assignwritereg=(~q[3]&q[2]&q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&q[1] &~q[0]);assign selalua=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0]); assign selalub[1]=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0]);assignselalub[0]=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])|(~q[3]&~q[2]&q[1]&q[0])|(~q[3]&q[2]&~ q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0])|(~q[3]&q[2]&q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&~q [1]&~q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[2]&q[1]&~q[0]);assign writezero=(~q[3]&q[2]&q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&q[1]&q[0]);assignaluop[1]=(~q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])|((~q[3]&~q[2] &q[1]&~q[0])&(~opcode[3]&opcode[2]))|((~q[3]&~q[2]&q[1]&q[0])&(~opcode[ 3]&opcode[2]))|(~q[3]&q[2]&~q[1]&~q[0])|(~q[3]&q[2]&~q[1]&q[0])|((~q[3]&q[2]&q[1]&~q[0])&(~opcode[3]&opcode[2]))|((~q[3]&q[2]&q[1]&q[0])&(~opcode[3]&opcode[2]))|(q[3]&~q[2]&~q[1]&~q[0])|(q[3]&~q[2]&~q[1]&q[0])|(q[3]&~q[ 2]&q[1]&~q[0]);assignaluop[0]=((~q[3]&~q[2]&q[1]&~q[0])&(~opcode[3]&opcode[1]))|((~q[3]&~q[2] &q[1]&q[0])&(~opcode[3]&opcode[1]))|((~q[3]&q[2]&q[1]&~q[0])&(~opcode[3] &opcode[1]))|((~q[3]&q[2]&q[1]&q[0])&(~opcode[3]&opcode[1])); endmodulemodule memory(dataout,datain,address,we,memin,memaddr,memwe,clk,reset); output[31:0]dataout;input[31:0]datain,memin;input[4:0]address,memaddr;input clk,reset,we,memwe;wire we1;wire[4:0]address1;wire[31:0]decoderout;wire[31:0]regen;wire[31:0]datain1;wire[31:0]q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9,q10,q11,q12,q13,q14,q15,q16,q17,q18,q19,q20,q21, q22,q23,q24,q25,q26,q27,q28,q29,q30,q31;assign address1=memwe?memaddr:address;assign datain1=memwe?memin:datain;decoder dec0(decoderout,address1);assign we1=we|memwe;assign regen[0]=decoderout[0]&we1;assign regen[1]=decoderout[1]&we1;assign regen[2]=decoderout[2]&we1;assign regen[3]=decoderout[3]&we1;assign regen[4]=decoderout[4]&we1;assign regen[5]=decoderout[5]&we1;assign regen[6]=decoderout[6]&we1;assign regen[7]=decoderout[7]&we1;assign regen[8]=decoderout[8]&we1;assign regen[9]=decoderout[9]&we1; assign regen[10]=decoderout[10]&we1; assign regen[11]=decoderout[11]&we1; assign regen[12]=decoderout[12]&we1; assign regen[13]=decoderout[13]&we1; assign regen[14]=decoderout[14]&we1; assign regen[15]=decoderout[15]&we1; assign regen[16]=decoderout[16]&we1; assign regen[17]=decoderout[17]&we1; assign regen[18]=decoderout[18]&we1; assign regen[19]=decoderout[19]&we1; assign regen[20]=decoderout[20]&we1; assign regen[21]=decoderout[21]&we1; assign regen[22]=decoderout[22]&we1; assign regen[23]=decoderout[23]&we1; assign regen[24]=decoderout[24]&we1; assign regen[25]=decoderout[25]&we1; assign regen[26]=decoderout[26]&we1; assign regen[27]=decoderout[27]&we1; assign regen[28]=decoderout[28]&we1; assign regen[29]=decoderout[29]&we1; assign regen[30]=decoderout[30]&we1; assign regen[31]=decoderout[31]&we1; register reg0(q0,datain1,clk,reset,regen[0]); register reg1(q1,datain1,clk,reset,regen[1]); register reg2(q2,datain1,clk,reset,regen[2]); register reg3(q3,datain1,clk,reset,regen[3]); register reg4(q4,datain1,clk,reset,regen[4]); register reg5(q5,datain1,clk,reset,regen[5]); register reg6(q6,datain1,clk,reset,regen[6]); register reg7(q7,datain1,clk,reset,regen[7]); register reg8(q8,datain1,clk,reset,regen[8]); register reg9(q9,datain1,clk,reset,regen[9]); register reg10(q10,datain1,clk,reset,regen[10]); register reg11(q11,datain1,clk,reset,regen[11]); register reg12(q12,datain1,clk,reset,regen[12]); register reg13(q13,datain1,clk,reset,regen[13]); register reg14(q14,datain1,clk,reset,regen[14]); register reg15(q15,datain1,clk,reset,regen[15]); register reg16(q16,datain1,clk,reset,regen[16]); register reg17(q17,datain1,clk,reset,regen[17]); register reg18(q18,datain1,clk,reset,regen[18]); register reg19(q19,datain1,clk,reset,regen[19]); register reg20(q20,datain1,clk,reset,regen[20]);register reg21(q21,datain1,clk,reset,regen[21]);register reg22(q22,datain1,clk,reset,regen[22]);register reg23(q23,datain1,clk,reset,regen[23]);register reg24(q24,datain1,clk,reset,regen[24]);register reg25(q25,datain1,clk,reset,regen[25]);register reg26(q26,datain1,clk,reset,regen[26]);register reg27(q27,datain1,clk,reset,regen[27]);register reg28(q28,datain1,clk,reset,regen[28]);register reg29(q29,datain1,clk,reset,regen[29]);register reg30(q30,datain1,clk,reset,regen[30]);register reg31(q31,datain1,clk,reset,regen[31]);mux_32mux0(dataout,q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9,q10,q11,q12,q13,q14,q15,q16,q17,q 18,q19,q20,q21,q22,q23,q24,q25,q26,q27,q28,q29,q30,q31,address); endmodule3、设计测试文件`timescale1ns/1nsmodule TOP_test;reg clk,rst,start,memwe;reg[31:0]memin;reg[4:0]memaddr;wire zero,n,v,c;wire[31:0]dataout;TOP u(clk,rst,start,memwe,memin,memaddr,zero,n,v,c,dataout);always#50clk=~clk;initialbeginclk=1;rst=0;start=0;#20rst=1;//load instruction and data to memory.#100rst=0;memwe=1;memin=32'b001000_00000_11111_0000000000010000;//load r0,r31,16memaddr=5'd0;#100memwe=1;memin=32'b001001_00000_11111_0000000000010001;//store r0,r31,17memaddr=5'd1;#100memwe=1;memin=32'b001000_00001_11111_0000000000010001;//load r1,r31,17memaddr=5'd2;#100memwe=1;memin=32'b000001_00010_00000_0101010101010101;//andi r2,r0,16'b0101010101010101memaddr=5'd3;#100memwe=1;memin=32'b000101_00011_00010_0000000000001011;//addi r3,r2,16'b0000000000001011memaddr=5'd4;#100memwe=1;memin=32'b001100_11111111111111111111111011;//branch-5memaddr=5'd5;#100memwe=1;memin=32'hFFFF_FFFF;//load data to memorymemaddr=5'd16;//start to execuit instructions.#100memwe=0;start=1;#100start=0;#10000$stop;endendmodule注意：测试的完备性。

单周期CPU设计实验报告

单周期CPU设计实验报告一、引言计算机是现代信息社会必不可少的工具，而CPU作为计算机的核心部件，承担着执行指令、进行运算和控制系统资源的任务。

随着科技的进步和计算能力的需求，CPU的设计也趋于复杂和高效。

本次实验旨在设计一种单周期CPU，探究其设计原理和实现过程，并通过实验验证其正确性和性能。

二、理论基础1.单周期CPU概述单周期CPU即每个时钟周期内只完成一条指令的处理，它包括指令取址阶段（IF）、指令译码阶段（ID）、执行阶段（EX）、访存阶段（MEM）和写回阶段（WB）等多个阶段。

每条指令都顺序地在这些阶段中执行，而不同的指令所需的时钟周期可能不同。

2.控制信号单周期CPU需要根据不同的指令类型产生不同的控制信号来控制各个阶段的工作。

常见的控制信号包括时钟信号（clk）、使能信号（En）、写使能信号（WE）和数据选择信号（MUX）等。

这些信号的产生需要通过译码器、控制逻辑电路和时序逻辑电路等来实现。

三、实验设计本次实验采用的单周期CPU包括以下五个阶段：指令取址阶段、指令译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。

每个阶段的具体操作如下：1.指令取址阶段（IF）在IF阶段，通过计数器实现程序计数器（PC）的自增功能，并从存储器中读取指令存储地址所对应的指令码。

同时，设置PC使能信号，使其可以更新到下一个地址。

2.指令译码阶段（ID）在ID阶段，对从存储器中读取的指令码进行解码，确定指令的操作类型和操作数。

同时，根据操作类型产生相应的控制信号，如使能信号、写使能信号和数据选择信号等。

3.执行阶段（EX）在EX阶段，根据ID阶段产生的控制信号和操作数，进行相应的算术逻辑运算。

这里可以包括加法器、乘法器、逻辑运算器等。

4.访存阶段（MEM）在MEM阶段，根据EX阶段的结果，进行数据存储器的读写操作。

同时，将读取的数据传递给下一个阶段。

5.写回阶段（WB）在WB阶段，根据MEM阶段的结果，将数据传递给寄存器文件，并将其写入指定的寄存器。

cpu的实验报告

cpu的实验报告CPU的实验报告引言：计算机是现代社会不可或缺的工具，而CPU（Central Processing Unit）则是计算机的核心部件之一。

CPU负责执行计算机指令，处理数据和控制计算机的各种操作。

本文将对CPU进行实验，并对实验结果进行分析和总结，以便更好地理解和掌握CPU的工作原理。

一、实验目的本次实验的目的是通过对CPU的实验，深入了解CPU的结构和工作原理，掌握CPU的运行过程和性能评估方法。

二、实验过程1. CPU的结构CPU主要由控制单元和算术逻辑单元组成。

控制单元负责解析和执行指令，算术逻辑单元负责进行算术和逻辑运算。

实验中，我们对CPU的各个部件进行了详细的分析和研究。

2. CPU的指令执行过程CPU的指令执行过程包括取指、译码、执行和写回四个阶段。

在实验中，我们通过模拟CPU的指令执行过程，对每个阶段进行了详细的观察和记录，并分析了每个阶段的作用和影响因素。

3. CPU的性能评估为了评估CPU的性能，我们进行了一系列的实验。

通过改变CPU的主频、缓存大小和指令集等因素，观察CPU的运行速度和效率，并进行性能比较和分析。

实验结果表明，这些因素对CPU的性能有着重要的影响。

三、实验结果与分析1. CPU的结构分析通过对CPU的结构进行分析，我们发现控制单元和算术逻辑单元之间的协作非常重要。

控制单元负责解析和执行指令，而算术逻辑单元负责进行计算和逻辑运算。

两者之间的紧密配合使得CPU能够高效地运行。

2. 指令执行过程分析通过对CPU的指令执行过程进行分析，我们发现每个阶段都有其特定的作用。

取指阶段负责从内存中读取指令，译码阶段负责解析指令，执行阶段负责执行指令，写回阶段负责将结果写回内存。

每个阶段的效率和性能都对CPU的整体运行速度有着重要的影响。

3. 性能评估结果通过对CPU的性能评估实验，我们发现主频、缓存大小和指令集等因素对CPU 的性能有着重要的影响。

提高主频可以加快CPU的运行速度，增加缓存大小可以提高数据读取和存储的效率，而优化指令集可以提高CPU的指令执行效率。

十六位CPU实验设计报告

简单16位CPU设计一、实验内容完成从指令系统到CPU的设计，编写测试程序，通过运行测试程序对CPU 设计进行正确性评定。

具体内容包括：典型指令系统（包括运算类、转移类、访存类）设计；CPU结构设计；CPU的VHDL程序代码编写；规则文件与调试程序设计；CPU调试及测试程序运行。

二、实验目的及要求1．加深对计算机的基本概念、基本原理和基本结构的理解；2．掌握计算机组成与系统结构方面的基本设计、分析与实现方法；3．掌握典型16CPU设计方法；4．熟练掌握VHDL语言及应用，完成对CPU各功能模块的代码描述，实现各个功能模块部分的连接，从而形成一个完整的CPU体系结构；5．学会利用先进的硬件设计工具软件Quartus II对程序进行仿真和调试；6．掌握基于“TEC-CA试验教学系统”进行CPU调试的方法。

三、实验仪器设备（1）TEC-CA试验教学系统；（2）虚拟仪器平台；（3）计算机。

（4）实验环境四、实验方案设计（一）指令系统设计1、指令系统的作用和地位指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面。

指令系统是计算机系统结构的主要组成部分。

指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志。

指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁。

2、指令系统的设计规范设计的原则：支持编译系统能高效、简易地将源程序翻译成目标代码。

正交性：指令字段编码相互独立。

规整性：相似操作有相同的规定。

可扩充性：操作码冗余。

对称性：A-B=》A ；A-B=》B ，便于编译。

3、CPU 中操作数的存储方法CPU 中操作数的存储方法是各种指令集结构之间最主要的区别所在，其影响运算器的组织。

CPU 中用来存储操作数的存储单元主要有：（1）堆栈；（2）累加器；（3）一组寄存器；通用寄存器型指令集结构的主要优点：（1）使编译器有效地使用寄存器;（2）在表达式求值方面，比其它类型指令集结构，具有更大的灵活性; （3）寄存器可以用来存放变量；a.减少存储器的访问量，加快程序的执行速度。

MIPS单周期CPU实验报告

MIPS单周期CPU实验报告一、实验目的本实验旨在设计一个基于MIPS指令集架构的单周期CPU，具体包括CPU的指令集设计、流水线的划分与控制信号设计等。

通过本实验，可以深入理解计算机组成原理中的CPU设计原理，加深对计算机体系结构的理解。

二、实验原理MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集（RISC）架构的处理器设计，大大简化了指令系统的复杂性，有利于提高执行效率。

MIPS指令集由R、I、J三种格式的指令组成，主要包括算术逻辑运算指令、存储器访问指令、分支跳转指令等。

在单周期CPU设计中，每个指令的执行时间相同，每个时钟周期只执行一个指令。

单周期CPU的主要部件包括指令内存（IM）、数据存储器（DM）、寄存器文件（RF）、运算单元（ALU）、控制器等。

指令执行过程主要分为取指、译码、执行、访存、写回等阶段。

三、实验步骤1.设计CPU指令集：根据MIPS指令集的格式和功能，设计符合需求的指令集，包括算术逻辑运算指令、存储器访问指令、分支跳转指令等。

2.划分CPU流水线：将CPU的执行过程划分为取指、译码、执行、访存、写回等阶段，确定每个阶段的功能和控制信号。

3.设计控制器：根据CPU的流水线划分和指令集设计，设计控制器实现各个阶段的控制信号生成和时序控制。

4.集成测试：进行集成测试，验证CPU的指令执行功能和正确性，调试并优化设计。

5.性能评估：通过性能评估指标，如CPI（平均时钟周期数）、吞吐量等，评估CPU的性能优劣，进一步优化设计。

四、实验结果在实验中，成功设计了一个基于MIPS指令集架构的单周期CPU。

通过集成测试，验证了CPU的指令执行功能和正确性，实现了取指、译码、执行、访存、写回等阶段的正常工作。

同时，通过性能评估指标的测量，得到了CPU的性能参数，如CPI、吞吐量等。

通过性能评估，发现了CPU的性能瓶颈，并进行了相应的优化，提高了CPU的性能表现。

cpu设计实验报告

cpu设计实验报告CPU设计实验报告1. 引言计算机是现代社会不可或缺的工具，而中央处理器（CPU）则是计算机的核心组件之一。

本实验旨在设计和实现一个简单的CPU，以加深对计算机组成原理的理解，并通过实践掌握CPU的基本工作原理。

2. CPU设计概述我们的CPU设计基于冯·诺依曼结构，包括指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、算术逻辑单元（ALU）和寄存器文件等关键组件。

CPU的指令集采用RISC（精简指令集计算机）风格，指令长度为32位。

3. 指令集设计我们设计了一套简单的指令集，包括算术运算指令（加法、减法、乘法、除法）、逻辑运算指令（与、或、非）以及数据传输指令（加载、存储）。

指令的格式包括操作码、源操作数和目标操作数。

4. 寄存器文件设计寄存器文件是CPU中用于存储数据的重要组件。

我们设计了一个包含8个通用寄存器的寄存器文件，每个寄存器的宽度为32位。

通过寄存器文件，CPU能够高效地进行数据的读取和存储。

5. 控制单元设计控制单元是CPU中的重要模块，负责解析指令并控制各个组件的操作。

我们设计了一个简单的控制单元，使用有限状态机（FSM）来实现指令的解析和控制信号的生成。

控制单元根据指令的操作码，决定对应的操作，并将操作所需的控制信号发送给其他组件。

6. 数据通路设计数据通路是CPU中各个组件之间的数据传输路径。

我们设计了一个简单的数据通路，包括指令寄存器、程序计数器、寄存器文件、算术逻辑单元等。

数据通路能够将指令中的操作数从寄存器文件中读取出来，并将运算结果写回到寄存器文件。

7. CPU实现与验证我们使用硬件描述语言（HDL）对CPU进行实现，并通过仿真和测试验证其正确性。

通过编写测试程序，我们能够对CPU的各个指令进行测试，并检查其运行结果是否符合预期。

8. 结果与分析经过测试，我们的CPU能够正确执行设计的指令集，并产生正确的运算结果。

通过性能测试，我们还评估了CPU的运行速度和效率，并与其他现有的CPU进行了比较。

CPU实验报告范文

CPU实验报告范文一、实验目的本次实验的目的是设计和实现一个简单的中央处理器（CPU），通过实践掌握CPU的基本工作原理和实现方法。

二、实验原理1.CPU的基本概念中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行计算机指令和控制计算机的操作。

它由运算器、控制器和寄存器组成。

运算器负责执行算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法等。

控制器负责指挥CPU的工作，通过控制总线实现对内存和其他外部设备的访问。

寄存器是CPU内部的存储器，用于暂时存放指令、数据和中间结果。

2.CPU的实现方法CPU的实现采用组合逻辑电路和时序逻辑电路相结合的方法。

组合逻辑电路是由逻辑门构成的电路，它的输入只依赖于当前时刻的输入信号，输出也只与当前时刻的输入信号有关。

而时序逻辑电路则包含存储元件，其输出不仅与当前时刻的输入信号有关，还与之前的输入信号有关。

CPU的实现过程主要包括以下步骤：（1）设计指令集：确定CPU支持的指令集，包括指令的格式和操作码。

（2）设计控制器：根据指令集设计控制器，确定各个指令的执行过程和控制信号。

（3）设计运算器：根据指令集设计运算器，确定支持的算术和逻辑运算。

（4）设计寄存器：确定需要的寄存器数量和位数，设计寄存器的输入输出和工作方式。

3.实验环境和工具本次实验使用的环境和工具如下：（1）硬件环境：计算机、开发板、示波器等。

（2）软件环境：Win10操作系统、Vivado开发工具等。

三、实验步骤1.设计指令集根据实验要求，我们设计了一个简单的指令集，包括加法、减法、逻辑与、逻辑或和移位指令。

每个指令有特定的操作码和操作数。

2.设计控制器根据指令集设计了一个控制器。

控制器根据指令的操作码产生相应的控制信号，控制CPU内部寄存器、运算器和总线的操作。

3.设计运算器根据指令集设计了一个运算器。

运算器包括加法器、减法器、与门和或门等。

它通过输入的操作数和控制信号完成相应的运算操作。

4.设计寄存器根据实验需求确定了所需的寄存器数量和位数。

计算机组成原理CPU设计实验报告

计算机组成原理CPU设计实验报告课程设计题目:16位CPU设计学院: 信息学院班级:电子A班学号:1115102015姓名:方茹1目录1 实验方法 ..................................................................... . (4)2 总体说明 ..................................................................... ................................................. 5 2.1指令系统: .................................................................... .......................... 5 2.1.1指令格式分类(按指令字长和操作数不同): ...................................................... 5 2.1.2具体指令汇总表: .................................................................... .......................... 6 2.1.3相关指令流程图: .................................................................... .......................... 6 2.1.4指令数据通路的构建: .................................................................... ................... 8 2.1.5指令的分组及节拍: .................................................................... ..................... 12 2.1.6指令执行状态图:(见下页)..................................................................... ........... 13 2.1.7具体微指令: .................................................................... ............................... 13 2.2 系统整体介绍 ..................................................................... .................. 16 2.2.1系统基本模块划分 ..................................................................... ....................... 16 2.2.2总体结构图:(见下页)..................................................................... (17)3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................... ......18 3.1取指令逻辑的设计 ..................................................................... .. (19)3.1.1指令地址的保存 ..................................................................... (19)3.1.2指令存储器 ..................................................................... .................................. 20 3.1.3下一条指令地址的计算 ..................................................................... ................ 20 3.2指令译码逻辑的设计...................................................................... ...................... 21 3.3指令执行逻辑的设计...................................................................... ...................... 22 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................... ................... 23 3.5结果写回逻辑的设计...................................................................... ...................... 24 3.6单周期CPU的总成...................................................................... (25)4各部分说明 ..................................................................... .............................................26 4.1ALU .................................................................................................................... 26 4.2数据选择器BUS_MUX ................................................................ ........................ 28 4.3器件T1 ..................................................................... .......................................... 30 4.4标志寄存器FLAG_REG ............................................................... ........................ 31 4.5T2: .................................................................... ................................................ 33 4.6程序计数器PC ..................................................................... ............................... 33 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR: .................................................................... .. 34 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择.......................................................................36 4.9一位控制信号/WR .................................................................... ........................... 37 4.10 节拍发生器 ..................................................................... .................................. 37 4.11控制逻辑 ..................................................................... ...................................... 39 4.12T3...................................................................... ................................................ 42 4.13REG_OUT ......................................................................................................... 43 4.14存储器 ..................................................................... .......................................... 44 4.15总线选择器 ..................................................................... .. (45)24.16REG_TEST ............................................................... .. (46)5附录: .................................................................... .. (47)附录A:组员分工: .................................................................... .. (47)附录B:组员设计总结: .................................................................... . (47)31 实验方法实验要完成的工作主要包括:指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现(VHDL语言程序的编写)，软件模拟，以及硬件调试。

cpu设计实验报告

cpu设计实验报告CPU设计实验报告摘要：本实验旨在设计一个基本的中央处理器（CPU），并通过实验验证其性能和功能。

在设计过程中，我们使用了Verilog硬件描述语言和ModelSim仿真工具。

通过对CPU的设计和仿真实验，我们验证了CPU的正确性和性能，并对其进行了性能分析和优化。

1. 引言CPU是计算机系统中最核心的部件之一，它负责执行计算机指令和控制数据流动。

因此，设计一个高效、稳定的CPU对于计算机系统的性能至关重要。

本实验旨在通过Verilog硬件描述语言和ModelSim仿真工具，设计一个基本的CPU，并验证其性能和功能。

2. 设计过程我们首先对CPU的功能和性能进行了分析和规划，确定了CPU的基本架构和指令集。

然后，我们使用Verilog语言编写了CPU的硬件描述，并通过ModelSim进行了仿真验证。

在设计过程中，我们重点关注了CPU的时序逻辑、数据通路和控制逻辑，确保CPU能够正确地执行指令并保持稳定的性能。

3. 实验结果通过对CPU的设计和仿真实验，我们验证了CPU的正确性和性能。

我们使用了一系列的测试用例对CPU进行了功能和性能测试，并对其进行了性能分析和优化。

实验结果表明，我们设计的CPU能够正确地执行各种指令，并在性能上达到了预期的目标。

4. 总结和展望本实验通过Verilog硬件描述语言和ModelSim仿真工具，设计并验证了一个基本的CPU。

通过实验，我们对CPU的设计和性能有了更深入的了解，并对其进行了性能分析和优化。

未来，我们将进一步完善CPU的设计，提高其性能和功能，以满足计算机系统的需求。

综上所述，本实验为我们提供了一个宝贵的机会，通过实际设计和验证，深入了解了CPU的工作原理和性能特点，为我们今后的学习和研究打下了坚实的基础。

希望通过不懈的努力，我们能够设计出更加高效、稳定的CPU，为计算机系统的发展做出更大的贡献。

CPU设计实验报告

数字逻辑与处理器基础实验32位mips cpu设计综述：我们的最后验收结果时钟频率是84.9mhz。

本实验报告主要分为实验设计说明与实验收获总结两个部分。

附件中有cpu工程文档与模块代码。

第一部分实验设计一、 alu设计1、设计思路实现基本的算术、逻辑、关系、位与移位运算，尽量优化以达到最小的面积延时积。

结构图如下：主要设计思想：a. 加法运算实现可以采用逐次进位、超前进位等结构，减法可以通过加法实现（参见见面理论课讲义或者前面实验）；同时输出z（结果为零）、v（结果溢出）、n （结果为负）等标志位，注意有符号数和无符号数标志产生的不同。

b. 比较运算根据减法运算的结果（z/v/n）产生，自行分析比较操作与算术运算之间的关系。

c. 移位运算可以考虑将移位操作拆分为16 位移位、8 位移位、4 位移位、2 位移位、1位移位等几个子运算的组合，然后级联形成最后的运算结果。

d. 逻辑运算可以根据要求直接产生。

功能表接口说明2、主要模块a) 32bit加法器采用8个4bit超前进位加法器极连的方式，构成32bit加法器。

对于逸出位v的处理如下：由有符号数的性质可知，对最高位32和次高位31位取抑或，输出信号则为是否逸出。

对32位运算结果取反后，再对相邻两位反复取与，最终得到结果是否为零的输出z.如果是有符号数，则符号位=n。

由于这一方法部分程度上减弱了高位计算对低位计算的依赖程度，因此可以实现延时的降低。

同时，由于其超前进位网络的大量逻辑运算，较大程度上提升了电路的面积，造成最终的面积延时积特性恶化。

关键代码见附录1 b) 32bit减法器对加法器按位取反，再加一。

关键代码见附录1 c) 32bit 右移 32bit 左移 32bit 算术右移将移位操作拆分为16 位移位、8 位移位、4 位移位、2 位移位、1位移位等几个子运算的组合，然后级联得到最后的运算结果。

关键代码见附录1 d) 32bit 逻辑比较单元采用行为级语句直实现逻辑比较功能。

CPU处理器实验设计实验报告

“计算机设计与实践”处理器实验设计报告目录一：实验目的 (2)二：实验环境 (2)三：设计思想 (2)1、CPU接口信号定义 (2)2、CPU设计方案 (3)四：实验设计及测试 (15)1、各模块设计及测试 (15)波形仿真 (15)2、整体的设计及测试 (19)波形仿真 (19)五：下载 (21)六：遇到的问题及解决方法 (25)七：实验体会 (25)一：实验目的1.掌握Xilinx ISE集成开发环境使用方法2.掌握VHDL语言3.掌握FPGA编程方法及硬件调试手段4.深刻理解处理器结构和计算机系统的整体工作原理二：实验环境Xilinx ISE集成开发环境，ModelSim或ISim仿真工具、COP2000实验平台或SD2100数字逻辑设计实验平台或Diligent Nexys3开发板。

三：设计思想1、C PU接口信号定义2、 C PU 设计方案① 指令格式设计1.2. 其他指令15 11 10 28 7 031511 10 8 7 0②微操作定义③节拍划分④各模块设计a)时钟模块模块示意图：模块功能：产生4个节拍，其中，当rst=1时，节拍跳转到T3，并将pc置0.接口说明：信号名位数方向来源/去向备注Clk1I处理器板系统时钟Rst1I处理器板高电平复位T4O取址，运算，4个节拍存储，回写模块b)取指模块模块示意图：模块功能：从内存取出指令。

Rst=1时，pc置0.取出的IR传送给运算，存储，回写模块提供数据，当IRreq=1时，开始从内存取出指令。

当pcupdate=1时，pc接收pcnew的数据，更新pc。

信号名位数方向来源/去向备注T01I时钟模块第一节拍T11I时钟模块第二节拍Rst1I处理器板高有效复位信号PCupdate1I回写模块PC更新信号PCnew16I回写模块PC更新值IRnew16I存储控制模块IR更新值IRreq1O取址模块IR允许信号IR16O存储控制模块导出IR到其他模块PC16O取址模块PC到运算模块c)运算模块模块示意图：模块功能：进行各种运算，并产生进位信号cy和零信号z。

计算机设计与实践 CPU 实验报告(内含详细代码)

CPU实验报告一.设计概况本次试验要完成的工作主要包括：指令系统的设计，CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现，软件模拟，硬件调试。

试验的主要流程如下图所示：二.指令设计1.指令格式设计①单操作数指令OPCODE 000 X包括：JMP,JZ,JC②寄存器-寄存器指令OPCODE REG1 00000 REG2 包括：MOV,ADC,SBB,OR,AND③寄存器-立即数（地址）指令OPCODE REG DA TA包括：LDA,STA,MOV, ADC,SBB,OR,AND④其他类型指令OPCODE 00000000000包括：CLC,STC2.指令编码三.CPU逻辑设计1.CPU整体框图2.节拍设计一个周期采用四个节拍。

一个节拍完成取指。

第二个节拍完成运算。

第三个节拍访存。

第四个节拍回写。

3.数据流说明第一个节拍内，取指模块向访存控制发出访存信号，得到指令后，将指令保存在指令寄存器IR中，并将指令送往后面的运算模块，存储管理模块，回写模块。

同时将PC送入运算模块和回写模块。

第二个节拍内，运算管理模块将指令译码。

如果是存数指令，则将地址存入ADDR寄存器，数据存入DATA存储器，等待下一个节拍访存。

如果是取数指令，则将地址存入ADDR寄存器，等待下一个节拍访存。

如果是其他非访存指令，则将计算结果存入ALUOUT寄存器，送往存储管理模块的Rtemp寄存器。

第三个节拍内，存储管理模块将指令译码。

如果是存数指令，则向访存控制模块发出访存信号，则将第二个节拍内存好的ADDR寄存器的内容作为地址，把DATA寄存器里面的数据存入存储器对应的位置。

如果是取数指令，则将第二个节拍内存好的ADDR寄存器的内容作为地址，从存储器对应的位置取出数据，存入Rtemp存储器，并送往回写模块。

如果是其他非访存指令，则将Rtemp寄存器里的内容直接送往回写模块。

第四个节拍内，回写模块先将指令译码。

根据指令将需要回写的数据回写近响应的寄存器，并将PC+1后回写至取指模块的PC寄存器。

多周期cpu 实验报告

多周期cpu 实验报告多周期CPU 实验报告引言计算机的发展已经走过了几十年的历程，从最初的单周期CPU，到后来的多周期CPU，每一次的改进都为计算机的性能和效率带来了显著的提升。

本实验旨在通过设计和实现一个多周期CPU，来深入理解计算机的工作原理和指令执行过程。

一、实验背景随着计算机应用领域的不断扩大，对计算机性能的要求也越来越高。

而单周期CPU在执行指令时，每个指令都需要占用一个完整的时钟周期，这样效率较低。

为了提高计算机的执行效率，多周期CPU应运而生。

多周期CPU将指令的执行过程划分为多个时钟周期，每个周期执行一个特定的操作，从而提高了计算机的并行度和效率。

二、实验设计1. CPU结构本次实验设计的多周期CPU采用经典的冯·诺依曼结构，包括指令存储器、数据存储器、控制器和运算器等模块。

指令存储器用于存储程序指令，数据存储器用于存储数据，控制器用于控制指令的执行过程，运算器用于执行运算操作。

2. 指令执行过程多周期CPU的指令执行过程可以划分为取指、译码、执行、访存和写回等阶段。

在取指阶段，CPU从指令存储器中读取指令，并将其送入译码阶段。

在译码阶段，CPU解析指令的操作码，并根据操作码控制后续的执行操作。

在执行阶段，CPU执行指令的具体操作，如加法、乘法等。

在访存阶段，CPU根据需要访问数据存储器，读取或写入数据。

在写回阶段，CPU将执行结果写回到寄存器中。

三、实验过程1. 指令存储器设计指令存储器是多周期CPU中的一个重要组成部分，它用于存储程序指令。

在本次实验中，我们采用了基于RAM的指令存储器设计。

通过将指令存储器划分为多个存储单元，每个存储单元存储一个指令，可以有效地提高指令的读取速度。

2. 控制器设计控制器是多周期CPU中的核心模块，它负责指令的执行过程控制。

在本次实验中，我们采用了有限状态机的设计方法来实现控制器。

通过定义不同的状态和状态转移条件，可以实现对指令执行过程的精确控制。

CPU设计实验报告

草长莺飞二月天，拂堤杨柳醉春烟。儿童散学归来早，忙趁东风放纸鸢。
cūn
村
村庄、村口、村子
shī
诗
诗人、古诗、诗意
全诗译文
农历二月，村子前后的青草已经渐渐发芽生长，黄莺飞来飞去。杨柳披着长长的绿枝条，随风摆动，好像在轻轻地抚摸着堤岸。在水泽和草木间蒸发的水汽，如同烟雾般凝集着。杨柳似乎都陶醉在这浓丽的景色中。
感谢聆听
-学生诗词朗诵比赛教学通用模板-
朗诵人：xxx
“醉”有何用？
文学赏析
“生动地描写了春天时的大自然,写出了春日农村特有的明媚、迷人的景色。早春二月,小草长出了嫩绿的芽儿,黄莺在天上飞着,欢快地歌唱。堤旁的柳树长长的枝条,轻轻地拂着地面,仿佛在春天的烟雾里醉得直摇晃。“草长莺飞”四个字,把春在的景物写活,使读者仿佛感受到那种万物复苏、欣欣向荣的气氛,读者的眼前也好像涌动着春的脉搏。”
《村居》这首诗写的是诗人居住农村亲眼看到的景象,诗人勾画出一幅生机勃勃,色彩缤纷的“乐春图”。全诗充满了生活情趣,诗情画意。
这首诗表达了作者怎样的感情？
《村居》这首诗表达了诗人对美好生活的热爱和极富人情味思想感情。
写作背景
诗人晚年遭受议和派的排斥和打击,志不得伸,归隐于上饶地区的农村。在远离战争前线的村庄,宁静的早春二月,草长莺飞,杨柳拂堤,受到田园氛围感染的诗人有感于春天的来临,而写下
文学赏析
颔联写村中的原野上的杨柳,“拂”,“醉”,把静止的杨柳人格化了。枝条柔软而细长,轻轻地拂扫着堤岸。春日的大地艳阳高照,烟雾迷蒙,微风中杨柳左右摇摆。
①村居:在乡村里居住时见到的景象。 ②杨柳拂堤:像杨柳一样抚摸堤岸。醉:迷醉,陶醉。春烟:春天水泽、

cpu实验报告

cpu实验报告CPU实验报告引言计算机是现代社会不可或缺的工具，而中央处理器（CPU）则是计算机的核心。

CPU的性能直接影响着计算机的运行速度和效率。

为了深入了解CPU的工作原理和性能评估方法，我们进行了一系列的CPU实验。

本报告将详细介绍我们的实验过程、结果和分析。

实验一：CPU的组成与工作原理在第一个实验中，我们学习了CPU的基本组成和工作原理。

CPU由控制单元（CU）和算术逻辑单元（ALU）组成。

CU负责指令的解码和执行，而ALU则处理算术和逻辑运算。

我们通过拆解一台计算机，观察和研究了CPU的内部结构和连接方式。

我们还学习了指令集架构（ISA）和微指令的概念。

这个实验使我们对CPU的组成和工作原理有了更深入的理解。

实验二：CPU性能评估在第二个实验中，我们重点关注CPU的性能评估。

我们使用了一款性能评估工具，通过运行一系列的测试程序来测量CPU的性能。

我们评估了CPU的时钟频率、缓存大小和指令级并行性对性能的影响。

实验结果表明，时钟频率越高，CPU的运行速度越快。

增加缓存大小可以提高CPU的数据访问效率。

指令级并行性的优化也可以显著提升CPU的性能。

这个实验让我们了解了如何评估和优化CPU的性能。

实验三：CPU的架构设计在第三个实验中，我们设计了一款简单的CPU架构。

我们选择了精简指令集计算机（RISC）架构，因为RISC架构具有指令集简单、执行效率高的特点。

我们设计了CPU的指令集、寄存器组和数据通路，并使用硬件描述语言进行了模拟和验证。

通过这个实验，我们深入了解了CPU的架构设计原理和方法。

实验四：CPU的能耗优化在第四个实验中，我们研究了CPU的能耗优化方法。

我们使用了一款能耗监测工具，测量了CPU在不同负载下的能耗情况。

我们还尝试了一些能耗优化技术，如动态电压频率调整（DVFS）和低功耗模式。

实验结果显示，通过调整电压和频率，可以显著降低CPU的能耗。

低功耗模式也能有效减少CPU的能耗。

多周期cpu 实验报告

多周期CPU实验报告1. 引言本实验旨在设计并实现一个多周期CPU，以加深对计算机体系结构和指令执行过程的理解。

本文将介绍实验的设计思路、实验步骤、实验结果和分析。

2. 设计思路在设计多周期CPU之前，我们需要先理解单周期CPU的执行过程。

单周期CPU包含一个时钟周期，每个指令在一个时钟周期内完成执行。

然而，单周期CPU的执行效率较低，因为每个指令的执行时间是固定的，无论指令复杂与否。

为了提高CPU的执行效率，多周期CPU将每条指令的执行过程分为若干个阶段，每个阶段对应一个时钟周期。

每个阶段执行的操作可以并行进行，从而实现多条指令的同时执行。

在设计多周期CPU时，我们需要确定所需的指令集、寄存器的位宽、指令格式和控制信号。

具体步骤如下：1.确定指令集：选择常用的指令集，如MIPS指令集。

2.确定寄存器位宽：根据指令集的要求，确定寄存器的位宽，一般为32位。

3.确定指令格式：根据指令集的要求，设计指令的格式，并确定每个字段的位数和含义。

4.确定控制信号：根据指令的格式和执行过程，确定每个阶段需要的控制信号，并分配给相应的控制单元。

3. 实验步骤本实验的实验步骤如下：步骤一：确定指令集根据实验要求，选择MIPS指令集作为多周期CPU的指令集。

步骤二：确定寄存器位宽根据MIPS指令集的要求，确定寄存器的位宽为32位。

步骤三：确定指令格式根据MIPS指令集的要求，设计指令的格式。

MIPS指令格式一般包括操作码、源操作数寄存器、目标操作数寄存器和立即数等字段。

步骤四：确定控制信号根据指令的格式和执行过程，确定每个阶段需要的控制信号，并分配给相应的控制单元。

常见的控制信号包括时钟、复位、使能信号等。

步骤五：实现多周期CPU根据以上设计思路，开始实现多周期CPU。

根据指令格式和控制信号，设计数据通路和控制单元，并进行仿真测试。

步骤六：调试和优化在实现过程中，可能会出现一些错误或不理想的情况。

通过调试和优化，解决这些问题，使多周期CPU能够正确地执行指令。

CPU设计实验

广东技术师范学院实验报告学院：专业：班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点：实验日期：指导教师签名：预习情况操作情况考勤情况数据处理情况实验（6．5.1）项目名称：CPU设计实验1．实验目的（1）在掌握各部件单元电路的基础上，设计构造一个完整的CPU。

（2）为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试，由此掌握整机概念。

2．实验设备（1）TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。

（2）PC微机一台。

3．实验原理在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。

这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。

本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前４位为操作码）：助记符机器指令码说明IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中的开关状态R0ADD addr 0001 0000 ×××××××× R0+[addr] R0STA addr 0010 0000 ×××××××× R0 [addr]OUT addr 0011 0000 ××××××××[ addr] LEDJMP addr 0100 0000 ×××××××× addr PC其中，IN为单字长（８位），其余为双字长指令，××××××××为addr对应的二进制地址码。

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”。

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

完成功能：rd←rs - rt==> 逻辑运算指令做“0”扩展再参加“或”运算。

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

==> 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) 写存储器功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。

（9) lw rt , immediate (rs) 读存储器功能：rt ← memory[rs + (sign-extend)immediate ]；immediate 符号扩展再相加。

==> 分支指令（10）beq rs,rt,immediate功能：if(rs=rt) pc ←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2；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。