华中科技大学HUST类MIPS单周期微处理器设计实验报告

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单周期CPU实验报告

MIPS-CPU设计实验报告实验名称：32位单周期MIPS-CPU设计姓名学号：刘高斯11072205实验日期：2014年12月19日目录前言MIPS简介------------------------------------------------------------- 3 实验目的------------------------------------------------------------- 3第一部分VERILOG HDL 语言实现部分实验内容------------------------------------------------------------- 4 试验环境------------------------------------------------------------- 4 模块简介------------------------------------------------------------- 4 实验截图------------------------------------------------------------- 5 实验感想------------------------------------------------------------- 5 实验代码------------------------------------------------------------- 6第二部分LOGISIM 语言实现部分实验内容------------------------------------------------------------- 16 实验环境------------------------------------------------------------- 16模块设计------------------------------------------------------------- 16 试验感想------------------------------------------------------------- 23前言一、MIPS简介MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。

华中科技大学HUST类MIPS单周期微处理器设计实验报告

类MIPS单周期微处理器设计实验报告专业：班级：学号：姓名：一、微处理器各模块设计各模块的框图结构如上图所示。

由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。

图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。

1.指令存储器的设计指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。

因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。

（1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。

（2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。

（3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。

最后单击Generate按钮生成IROM模块。

2.数据存储器的设计数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。

因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。

数据存储器基本建立过程同ROM的建立。

3.寄存器组设计寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。

在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能写入，因此该模块的输入为clk、RegWriteAddr、RegWriteData、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr、reset；输出信号为RsData、RtData。

由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData 必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。

另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。

并且每次复位时所有寄存器都清零。

代码如下：module regFile(input clk,input reset,input [31:0] regWriteData,input [4:0] regWriteAddr,input regWriteEn,output [31:0] RsData,output [31:0] RtData,input [4:0] RsAddr,input [4:0] RtAddr);reg[31:0] regs[0:31];assign RsData = (RsAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RsAddr];assign RtData = (RtAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RtAddr];integer i;always @(posedge clk)beginif(!reset)beginif(regWriteEn==1)beginregs[regWriteAddr]=regWriteData;endendelsebeginfor(i=0;i<31;i=i+1)regs[i]=0;regs[31]=32'hffffffff;endendendmodule4.ALU设计在这个简单的MIPS指令集中，微处理器支持add、sub、and、or、slt运算指令，需要利用ALU单元实现运算，同时数据存储指令sw、lw也需要ALU单元计算存储器地址，条件跳转指令beq需要ALU来比较两个寄存器是否相等。

单周期CPU实验报告

MIPS单周期CPU实验报告材料

《计算机组成原理实验》实验报告（实验二）学院名称：专业（班级）：学生姓名：学号：时间：2017 年11 月25 日成绩 :实验二：单周期CPU设计与实现一.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；(5) 掌握单周期CPU的实现方法。

二.实验内容设计一个单周期的MIPSCPU，使其能实现下列指令：==> 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”。

符号扩展再参加“加”运算。

（3）sub rd , rs , rt功能：rd←rs - rt==> 逻辑运算指令（4）ori rt , rs ,immediate功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate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。

功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。

==>移位指令==>比较指令功能：if (rs<rt) rd =1 else rd=0, 具体请看表2 ALU运算功能表，带符号==> 存储器读/写指令（9）sw rt ,immediate(rs) 写存储器功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。

即将rt寄存器的内容保存到rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中。

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

微机原理实验类MIPS单周期微处理器设计

微机原理实验类MIPS单周期微处理器设计MIPS单周期微处理器设计是一种常见的计算机体系结构，采用简化指令集和单个时钟周期执行指令的方式。

下面将详细介绍MIPS单周期微处理器的设计。

1.指令集架构MIPS单周期微处理器采用五个基本的指令类型，包括加载/存储指令、算术逻辑指令、跳转指令、分支指令和数据传输指令。

这些指令类型可以通过相应的操作码和寄存器编号来确定具体的指令操作。

2.寄存器文件MIPS单周期微处理器使用了32个通用寄存器，每个寄存器的位宽为32位。

其中，除了$0寄存器始终为零，其他的寄存器可用于存储数据和进行运算。

3.控制单元控制单元是MIPS单周期微处理器的核心部分，负责解码指令，生成相应的控制信号，控制数据通路的各个部件以正确执行指令。

控制单元包括指令寄存器、程序计数器、指令解码器等。

4.数据通路MIPS单周期微处理器的数据通路由多个组成部分组成，包括寄存器文件、算术逻辑单元(ALU)、数据存储器(DM)等。

数据通路用于执行指令的各个操作步骤，如指令的读取、寄存器操作、运算和数据存储。

5.指令执行过程MIPS单周期微处理器的指令执行过程包括指令的取指、指令解码、操作数的读取、指令执行和结果的写回等步骤。

在每个时钟周期中，通过控制信号控制数据通路的各个部件，按照指令的操作要求完成相应的操作。

总体而言，MIPS单周期微处理器设计简洁高效，适用于大多数应用场景。

然而，由于单周期处理器的指令执行时间较长，且不支持流水线技术，所以在一些对性能要求较高的应用中可能会受到限制。

综上所述，MIPS单周期微处理器设计是一种常用的计算机体系结构，通过合理的指令集架构、寄存器文件、控制单元和数据通路的设计，实现了对指令的有效执行和数据操作。

该设计具有一定的优势和限制，需要根据实际需求进行选用和改进。

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。

mips运算器设计的实验报告

mips运算器设计的实验报告MIPS运算器设计的实验报告在计算机科学领域，MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种常见的指令集架构，被广泛用于教学和研究。

MIPS运算器设计实验旨在通过实际操作，加深对MIPS指令集的理解，提高学生的计算机系统设计能力。

实验开始前需要明确设计的目标和功能需求。

在设计MIPS运算器时，需要考虑指令的执行流程、寄存器的设计、ALU的功能等关键要素。

设计者应该清楚每条指令的操作码、操作数及操作结果的存储位置，确保整个运算器的功能正常实现。

根据设计要求，搭建MIPS运算器的硬件结构。

在硬件设计中，需要考虑到时钟频率、数据通路的连接、控制信号的传输等方面。

合理的硬件设计是保证运算器正常运行的基础，需要对各个模块进行充分测试和调试，确保整个系统的稳定性和可靠性。

接着，进行指令集的编码和解码工作。

MIPS指令集包括常见的算术运算指令、逻辑运算指令、分支跳转指令等，设计者需要为每条指令赋予唯一的操作码，并实现指令的编码和解码功能。

编码和解码的准确性直接影响到指令的执行结果，需要仔细检查和验证每条指令的功能和操作。

进行仿真和调试工作。

通过仿真软件模拟MIPS运算器的运行过程，检查指令执行的正确性和时序的准确性。

在调试过程中，需要重点关注指令执行的过程中是否存在冲突和错误，及时修改和优化设计方案，确保运算器的功能完整和稳定。

总的来说，通过设计MIPS运算器的实验，可以帮助学生深入理解计算机系统的结构和工作原理，提高他们的设计和调试能力，培养他们的团队合作和问题解决能力。

同时，这也是一个很好的实践机会，让学生将理论知识应用到实际项目中，提升他们的综合素质和创新能力。

希望通过这样的实验，能够激发学生对计算机科学的兴趣，培养他们对技术研究的热情，为未来的科技发展做出贡献。

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。

mips运算器设计的实验报告

mips运算器设计的实验报告
MIPS运算器设计的实验报告
MIPS运算器是一种使用MIPS指令集进行运算的微型计算机。

它是一个重要的数字逻辑电路设计实验，能够让我们深入了解计算机的内部结构、运算的实现原理和操作系统等重要的概念。

本文将简要介绍MIPS运算器的设计原理和实验过程。

首先，MIPS运算器的设计由以下六个部分组成：存储器、CPU、输入控制器、输出控制器、时钟和调试器。

存储器包括一个程序存储器和一个数据存储器，分别用于存储程序和数据。

CPU包括ALU和寄存器，用于处理运算。

输入控制器用于控制输入设备，输出控制器用于控制输出设备，时钟用于同步和计时，调试器用于调试程序。

其次，在设计MIPS运算器时，我们采用了门级逻辑的方法。

首先，我们先根据MIPS指令集定义CPU的指令格式和指令编码，然后使用Karnaugh图和布尔代数等方法进行逻辑门电路的设计和优化，最终实现电路的硬件描述语言（HDL）编写和模拟仿真。

最后，我们进行了一系列实验验证了MIPS运算器的正确性和性能。

我们通过加载不同的程序和数据，进行了各种不同的运算测试，包括加、减、乘、除、与、或、异或、移位等运算，同时还测试了运算器的运行速度和存储器的容量等性能
指标。

实验结果表明，MIPS运算器的设计符合MIPS指令集的规范，功能完备，性能稳定，能够满足各种不同的运算需求。

总之，MIPS运算器是一款非常实用且具有挑战性的数字逻辑电路设计实验，它可以让我们更好地理解计算机的原理和操作系统等重要的概念，同时也能够培养我们的动手能力和解决问题的能力。

MIPS单周期CPU实验报告材料

《计算机组成原理实验》实验报告（实验二）学院名称：专业（班级）：学生姓名：学号：时间：2017 年11 月25 日成绩:实验二：单周期CPU设计与实现一.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；(5) 掌握单周期CPU的实现方法。

二.实验内容设计一个单周期的MIPSCPU，使其能实现下列指令：==> 算术运算指令（1）add 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）功能：rd←rs + rt。

reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。

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

（3）sub rd , rs , rt功能：rd←rs - rt==> 逻辑运算指令（4）ori rt , rs ,immediate功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate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。

（6）or rd , rs , rt功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。

==>移位指令（7）sll rd, rt,sa功能：rd<－rt<<(zero-extend)sa，左移sa位，(zero-extend)sa==>比较指令（8）slt rd, rs, rt 带符号数功能：if (rs<rt) rd =1 else rd=0, 具体请看表2 ALU运算功能表，带符号==> 存储器读/写指令（9）sw rt ,immediate(rs) 写存储器功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。

单周期设计实验报告

一、实验目的1. 了解单周期CPU的基本原理和设计方法。

2. 掌握单周期CPU的数据通路结构及其实现过程。

3. 熟悉单周期CPU的指令集和指令格式。

4. 通过实验验证单周期CPU的功能和性能。

二、实验内容1. 单周期CPU的数据通路结构单周期CPU的数据通路主要由以下几个部分组成：（1）指令寄存器（IR）：存储从内存中取出的指令。

（2）程序计数器（PC）：存储下一条指令的地址。

（3）寄存器文件（RF）：用于存储操作数和中间结果。

（4）算术逻辑单元（ALU）：执行指令中的算术运算和逻辑运算。

（5）数据内存（DM）：存储数据和指令。

（6）控制单元：根据指令操作码生成相应的控制信号。

2. 单周期CPU的指令集和指令格式本实验所采用的指令集包括以下几种：（1）算术运算指令：如加法、减法、乘法、除法等。

（2）逻辑运算指令：如与、或、非等。

（3）数据传输指令：如将寄存器中的数据传送到内存或寄存器中。

（4）跳转指令：改变程序计数器的值，实现程序跳转。

指令格式如下：| 操作码 | 操作数1 | 操作数2 | 目标寄存器 ||--------|--------|--------|------------|| 5位 | 5位 | 5位 | 5位 |3. 单周期CPU的设计与实现（1）硬件设计根据实验要求，设计单周期CPU的硬件结构，包括各个模块的连接和功能实现。

（2）软件设计编写指令译码程序，根据指令操作码生成相应的控制信号，控制各个模块执行指令。

4. 实验验证（1）编译测试程序将测试程序编译成机器码，存入数据内存。

（2）运行测试程序通过程序计数器逐条取出指令，执行指令，观察结果。

（3）分析实验结果根据实验结果，分析单周期CPU的功能和性能。

三、实验结果与分析1. 单周期CPU能够正确执行指令，实现算术运算、逻辑运算、数据传输和跳转等功能。

2. 单周期CPU的数据通路结构简单，指令执行速度快，但资源利用率较低。

3. 实验结果表明，单周期CPU具有较高的性能，但在实际应用中，需要根据具体需求进行优化设计。

MIPS单周期CPU实验报告

MIPS单周期CPU实验报告一、实验目标本次实验的主要目标是设计并实现一个基于MIPS单周期CPU的计算机系统。

具体要求如下：1.能够识别并执行MIPS指令集中的常见指令，包括算术逻辑运算、分支跳转和存取指令等。

2.实现基本的流水线结构，包括指令译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。

3.能够在基本结构的基础上添加异常处理和浮点数运算支持。

二、实验环境三、实验过程1.确定CPU的基本组成部分，包括指令存储器、数据存储器、寄存器、ALU和控制单元等，并进行电路设计。

2.编写MIPS汇编程序，并使用MARS进行仿真调试，验证指令的正确性和计算结果的准确性。

3.将MIPS汇编程序烧录到指令存储器中，并将数据存储器中的初始数据加载进去。

4.运行程序，观察CPU的工作状态，并进行时序仿真，验证CPU设计的正确性。

5.对CPU进行性能测试，包括执行时间、指令吞吐量和时钟周期等指标的测量。

四、实验结果经过实验和测试，我们成功地设计并实现了一个基于MIPS单周期CPU的计算机系统。

该系统能够正确执行MIPS指令集中的常见指令，并支持流水线结构、异常处理和浮点数运算。

1.指令执行的正确性：通过在MARS中进行调试和仿真，我们发现CPU能够正确地执行各种指令，包括算术逻辑运算、分支跳转和存取指令等。

并且，在时序仿真中，CPU的各个组件的信号波形也符合预期。

2.流水线结构的实现：我们根据MIPS指令的特点和处理流程，设计了基本的流水线结构，并在MARS中进行了时序仿真。

仿真结果表明，各个流水线级的操作都能够正确无误地进行，并且能够顺利地在一个时钟周期内完成。

3.异常处理和浮点数运算的支持：通过在MIPS汇编程序中加入异常处理和浮点数运算的指令，我们验证了CPU对这些功能的支持。

在异常处理时，CPU能够正确地转入异常处理程序，并根据异常类型进行相应的处理。

在浮点数运算时，CPU能够正确地进行浮点数的加减乘除等运算，并将结果正确地写回寄存器。

微处理器实习报告

一、实习背景随着科技的飞速发展，微处理器作为计算机系统的核心部件，其性能和功能日益受到重视。

为了更好地了解微处理器的原理和应用，我于2023年在XX科技有限公司进行了为期一个月的微处理器实习。

通过这次实习，我对微处理器的架构、设计、编程以及在实际应用中的性能优化有了更加深入的认识。

二、实习内容1. 微处理器基础知识学习实习初期，我重点学习了微处理器的基本概念、发展历程、分类以及常见型号。

通过查阅资料、参加培训课程，我对微处理器的基本原理有了初步了解，包括指令集、寄存器、总线、缓存等。

2. 微处理器架构分析在实习过程中，我深入研究了不同类型的微处理器架构，如CISC（复杂指令集计算）、RISC（精简指令集计算）以及ARM架构。

通过对这些架构的对比分析，我认识到不同架构在性能、功耗、成本等方面的差异，为后续设计工作提供了理论依据。

3. 微处理器编程实践为了提高实际操作能力，我参与了微处理器编程实践。

在导师的指导下，我使用C语言编写了简单的微处理器程序，实现了对寄存器、内存、I/O端口等资源的操作。

通过实践，我掌握了微处理器编程的基本技巧，为后续开发工作打下了基础。

4. 微处理器性能优化在实习后期，我参与了微处理器性能优化项目。

通过分析程序运行过程中的瓶颈，我提出了相应的优化方案，包括指令重排、流水线优化、缓存优化等。

在实际操作中，我使用编译器优化工具和调试工具对程序进行了优化，有效提升了程序性能。

5. 项目总结与汇报在实习的最后阶段，我对实习期间参与的项目进行了总结，撰写了项目报告。

在导师的指导下，我进行了项目汇报，展示了实习成果。

通过这次汇报，我巩固了所学知识，提高了自己的表达能力。

三、实习收获1. 知识层面：通过实习，我对微处理器的原理、架构、编程以及性能优化等方面有了全面的认识，为今后的工作打下了坚实的基础。

2. 技能层面：在实习过程中，我掌握了微处理器编程、调试、优化等技能，提高了自己的实际操作能力。

mips运算器设计的实验报告

mips运算器设计的实验报告MIPS运算器设计的实验报告一、引言MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）是一种常见的指令集架构，被广泛应用于计算机体系结构课程中。

本实验报告旨在设计一个基于MIPS指令集架构的运算器，并对其进行详细的介绍和分析。

二、设计目标本次实验的设计目标是实现一个能够完成MIPS指令集中的算术和逻辑运算的运算器。

具体包括实现加法、减法、乘法、除法、与、或、非等运算操作，并能够正确处理各种边界情况。

三、设计原理1. 指令解析：首先，需要对输入的指令进行解析，提取出操作码和操作数。

根据操作码的不同，运算器将执行不同的运算操作。

2. 运算操作：根据操作码，运算器将执行相应的算术或逻辑运算操作。

这些操作包括加法、减法、乘法、除法、与、或、非等。

3. 结果返回：运算器将计算得到的结果返回给用户。

四、设计实现1. 指令解析：运算器首先从输入中提取出操作码和操作数。

操作码决定了运算器将执行哪种运算操作，而操作数则是参与运算的数值。

2. 运算操作：根据操作码的不同，运算器将执行相应的算术或逻辑运算操作。

例如，如果操作码是加法，则运算器将执行加法操作，并将操作数相加得到结果。

3. 结果返回：运算器将计算得到的结果返回给用户，用户可以通过输出端口获取结果。

五、实验结果经过设计和实现，本次实验成功地实现了基于MIPS指令集架构的运算器。

运算器能够正确地执行加法、减法、乘法、除法、与、或、非等运算操作，并能够处理各种边界情况。

经过多次测试，运算器的运算结果准确无误。

六、实验分析通过本次实验，我深入了解了MIPS指令集架构以及运算器的设计原理和实现方法。

在实验过程中，我遇到了一些问题，例如如何正确解析指令、如何处理边界情况等。

通过不断的调试和优化，我最终解决了这些问题，并成功实现了运算器。

七、实验总结本次实验使我对MIPS指令集架构和运算器的设计有了更深入的了解。

mips 实验报告

mips 实验报告MIPS 实验报告摘要：本实验报告介绍了MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）处理器的基本结构和工作原理，以及在实验中对MIPS处理器进行了仿真和验证的过程和结果。

通过本次实验，我们深入了解了MIPS处理器的指令集架构、流水线设计和性能特点，同时也对计算机体系结构有了更深入的认识。

1. 背景MIPS处理器是一种经典的RISC（Reduced Instruction Set Computer）架构的处理器，其设计简洁高效，广泛应用于嵌入式系统和高性能计算领域。

MIPS处理器采用了五级流水线结构，包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段，能够实现指令级并行和流水线加速，提高了处理器的运行效率和性能。

2. 实验目的本次实验旨在通过对MIPS处理器的仿真和验证，加深对计算机体系结构和处理器设计的理解，掌握MIPS指令集架构的特点和流水线设计的原理，培养学生的计算机系统分析和设计能力。

3. 实验内容本次实验主要包括以下内容：（1）MIPS处理器的指令集架构和寄存器组设计；（2）MIPS处理器的流水线结构和控制信号设计；（3）使用Verilog HDL对MIPS处理器进行建模和仿真；（4）通过仿真验证MIPS处理器的正确性和性能。

4. 实验步骤（1）熟悉MIPS指令集架构和寄存器组设计；（2）设计MIPS处理器的流水线结构和控制信号；（3）使用Verilog HDL对MIPS处理器进行建模和仿真；（4）编写测试程序，对MIPS处理器进行功能验证和性能评估；（5）分析仿真结果，验证MIPS处理器的正确性和性能。

5. 实验结果通过对MIPS处理器的仿真和验证，我们得到了以下实验结果：（1）MIPS处理器能够正确执行各类指令，并能够实现指令级并行和流水线加速；（2）MIPS处理器的性能优秀，能够在较短的时钟周期内完成指令的执行；（3）MIPS处理器的流水线结构设计合理，能够有效提高处理器的运行效率和性能。

CPU实验——单周期MIPS处理器设计

单周期MIPS处理器设计实验报告完成人：笪腾飞2012011263一、实验目的1、设计一个32位的单周期MIPS处理器，具备定时器、数码管等外设；2、编写一个编译器，可以将mips代码编译为二进制机器码；3、编写一个计算两个整数的最大公约数的汇编程序。

二、设计方案根据理论课所学的单周期MIPS处理器数据通路的知识，结合本次试验的具体要求，最终设计方案如下：1、系统时钟为了综合后能够在开发板上正确运行程序，我们决定采取50MHz的CPU时钟，因此编写了一个时钟分频模块，对开发板提供的100MHz时钟进行二分频，从而得到50MHz时钟。

2、PC产生模块原理图如下：如上图左半部分所示，多路选择器由一个always语句中的if…else if…else语句实现。

其中，将ALU中的加减法部分提取出来实现一个加法器，用于产生PC+4和ConBA两个PC来源。

将I型指令中的16位立即数左移两位后再符号位扩展成32位地址，与PC+4相加得到分支地址ConBA。

将跳转指令中的26位目标地址左移两位后，与当前PC的高四位拼接得到跳转地址JT。

将第一个操作数寄存器中的值取出作为PC的一个输入，这是为了实现jr和jalr指令，从$Xp和$Ra寄存器中读取跳转地址。

ILLOP和XADR分别是发生中断和异常时的跳转地址。

下一指令地址的选择由PCSrc决定，而PCSrc是译码后由控制信号模块根据每条指令的操作码(opcode)和函数码(funct)产生。

3、译码模块原理图如上图右半部分所示，将PC作为ROM模块的地址输入，输出即为PC所对应的指令。

分别取出指令中的某些片段，得到$Rs，$Rt，$Rd，shamt，funct，16位立即数和26位跳转地址。

4、控制模块控制模块即控制信号产生模块，六位操作码OpCode，六位函数码[5:0] Funct，定时器中断信号irq和PC最高位PC31作为输入，输出为以下控制信号：(1) R型指令指示信号IsR，值为1表示当前指令为R型指令，否则非R型指令；(2) PC产生的选择信号[2:0] PCSrc，取值0,1,2,3,4及其它，分别选择下一指令不同的PC；(3) 目的寄存器选择信号[1:0]RegDst，被写入的寄存器有四种选择：$Rd,$Rt,$Ra,$Xp，分别由RegDst不同取值完成选择；(4) 写寄存器使能信号RegWr，值为1表示允许对寄存器进行写操作；(5) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将移位量shamt进行0扩展后作为输入，值为0表示将$Rs寄存器中的值作为输入；(6) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将扩展后的32位立即数作为输入，值为0表示将$Rt寄存器中的值作为输入;(7) ALU运算控制信号[5:0] ALUFunc，作为ALU的输入选择不同的运算操作；(8) 有无符号数指示信号Sign，值为1表示有符号数，值为0表示无符号数；(9) 写存储器使能信号MemWr，值为1表示允许对存储器进行写操作；(10) 读存储器使能信号MemRd，值为1表示允许对存储器进行读操作；(11) 写寄存器值的选择信号[1:0] MemToReg，选择ALU结果，存储器读取结果和PC+4其中之一作为写入目的寄存器的值；(12) 符号位扩展指示信号EXTOp，值为1表示对16位立即数进行符号位扩展，值为0表示0扩展；(13) 立即数高位取指令指示信号LUOp，值为1表示当前指令为lui指令，选择将立即数载入高16位低位填0的32位立即数作为ALU输入，值为0表示将正常扩展后的32位立即数作为ALU输入；控制信号的具体产生过程此处略去，在控制信号说明文件中进行详述。

华科微机原理实验报告

微机原理实验报告课程：微机原理指导老师姓名：学号：实验名称：Lab 02: MIPS处理器部件实现A微机原理实验报告一、实验目的本实验旨在实现MIPS处理器的部件—控制器和ALU,理解CPU控制器,理解ALU的原理,使用Verilog语言设计CPU控制器和ALU ,使用ISim进行行为仿真。

二、实验原理及说明MIPS的基本架构如图1所示，包括Control，ALU这样的组合逻辑单元，也包括如instruction memory，Data memory和Registers file存储单元。

本实验主要实现CPU Control和ALU两个部分。

（一）CPU控制器的实现CPU Control单元输入为指令的opCode字段，即操作码;以及R指令的funct编码。

操作码和Funct编码经过主控制单元的译码，给ALU，Data Memory，Registers ，Muxs等部件输出正确的控制信号。

图2. MIPS基本指令格式图: 控制模块的IO定义注：Jump指令编码是000010，Jump输出信号为1，其他输出信号都为0图3. OpCode与控制输出的编码关系图4. Funct，ALUOp与ALU Control编码关系(二) ALU的实现ALU是CPU核心的计算单元，实现诸如加，减，或，与等操作。

算术操作的编码三、实验verilog代码（一）CPU控制器的实现module Ctr(input [5:0] OpCode,input [5:0] Funct,output regRegDst,output regALUSrc,output regRegWrite,output regMemWrite,output regMemRead,output regMemtoReg,output reg Branch,output reg Jump,output reg [3:0] ALUControl);reg [1:0] ALUOp;always @(OpCode)begincase(OpCode)//R type6'b000000:beginRegDst=1; ALUSrc=0; RegWrite=1; MemWrite=0; MemRead=0; MemtoReg=0;Branch=0;ALUOp=2'b10; Jump=0;end//beq6'b000100:beginRegDst=1'bx; ALUSrc=0; RegWrite=0; MemWrite=0; MemRead=0; MemtoReg=1'bx; Branch=1;ALUOp=2'b01; Jump=0;end//lw6'b100011:beginRegDst=0; ALUSrc=1; RegWrite=1; MemWrite=0; MemRead=1; MemtoReg=1;Branch=0;ALUOp=2'b00; Jump=0;end//sw6'b101011:beginRegDst=1'bx;ALUSrc=1;RegWrite=0;MemWrite=1;MemRead=0;MemtoReg=1'bx;Branch=0;ALUOp=2'b00;Jump=0;end//Jump6'b000010:beginRegDst=0;ALUSrc=0;MemtoReg=0;RegWrite=0;MemRead=0;MemWrite=0;Branch=0;ALUOp=2'b00;Jump=1;endendcaseendalways @(ALUOp or Funct)begincasex({ALUOp,Funct})8'b00xxxxxx: ALUControl=4'b0010;8'b01xxxxxx: ALUControl=4'b0110;8'b1xxx0000: ALUControl=4'b0010;8'b1xxx0010: ALUControl=4'b0110;8'b1xxx0100: ALUControl=4'b0000;8'b1xxx0101: ALUControl=4'b0001;8'b1xxx1010: ALUControl=4'b0111;default: ALUControl=4'b0000;endcaseendendmodule(二) ALU的实现module ALU(input [31:0] SrcA,input [31:0] SrcB,input [3:0] ALUCtr,output Zero,output reg [31:0] ALURes);assign Zero=(ALURes==1'b0);always @(SrcA or SrcB or ALUCtr)begincase(ALUCtr)4'b0000: ALURes=SrcA&SrcB; //AND4'b0001: ALURes=SrcA | SrcB; //OR4'b0010: ALURes=SrcA + SrcB; //add4'b0110: ALURes=SrcA - SrcB; //substract4'b0111: ALURes=SrcA<SrcB ? 1:0; //set on less than 4'b1100: ALURes=~(SrcA | SrcB); //NORdefault ALURes=32'h0;endcaseendendmodule四、仿真测试1.代码（一）CPU控制器的实现module Ctr_tb;// Inputsreg [5:0] OpCode;reg [5:0] Funct;// Outputswire RegDst;wire ALUSrc;wire RegWrite;wire MemWrite;wire MemRead;wire MemtoReg;wire Branch;wire Jump;wire [3:0] ALUControl;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)Ctruut (.OpCode(OpCode),.Funct(Funct),.RegDst(RegDst),.ALUSrc(ALUSrc),.RegWrite(RegWrite),.MemWrite(MemWrite),.MemRead(MemRead),.MemtoReg(MemtoReg),.Branch(Branch),.Jump(Jump),.ALUControl(ALUControl) );initial begin// R-type AddOpCode=6'b000000;Funct=6'b100000;// R-type Subtract#10;OpCode=6'b000000;Funct=6'b100010;// Lw#10;OpCode=6'b100011;Funct=6'bxxxxxx;// Sw#10;OpCode=6'b101011;Funct=6'bxxxxxx;// Beq#10;OpCode=6'b000100;Funct=6'bxxxxxx;// R-type AND#10;OpCode=6'b000000;Funct=6'b100100;// R-type OR#10;OpCode=6'b000000;Funct=6'b100101;// R-type set on less than#10;OpCode=6'b000000;Funct=6'b101010;// Jump#10;OpCode=6'b000010;endendmodule(二) ALU的实现module ALU_tb;// Inputsreg [31:0] SrcA;reg [31:0] SrcB;reg [3:0] ALUCtr;// Outputswire Zero;wire [31:0] ALURes;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)ALU uut (.SrcA(SrcA),.SrcB(SrcB),.ALUCtr(ALUCtr),.Zero(Zero),.ALURes(ALURes));initial begin// ANDSrcA =32'hf0f0ffff;SrcB =32'h0000f0f0;ALUCtr =0;// OR#10;ALUCtr =4'b0001;// Add#10;ALUCtr =4'b0010;// Subtract#10;ALUCtr =4'b0110;// set on less than#10;ALUCtr =4'b0111;//NOR#10;ALUCtr =4'b1100;//Other situation#10;ALUCtr =4'b1111;endendmodule2.仿真截图（一）CPU控制器的实现(二) ALU的实现五、实验总结实验名称：Lab03: MIPS处理器部件实现B微机原理实验报告一、实验目的本实验旨在使读者实现MIPS处理器的部件—Data memory, Instruction memory和Registers 三大存储器件。

MIPS单周期CPU实验报告

《计算机组成原理实验》实验报告（实验二）学院名称：专业（班级）：学生姓名：学号：时间：2017 年11 月25 日成绩: 实验二：单周期CPU设计与实现一.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；(5) 掌握单周期CPU的实现方法。

二.实验内容设计一个单周期的MIPSCPU，使其能实现下列指令：==> 算术运算指令==> 逻辑运算指令功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。

==>移位指令==>比较指令==> 存储器读/写指令将rt寄存器的内容保存到rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中。

即读取rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中的数，然后保存到rt寄存器中。

==> 分支指令功能：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”。

12特别说明：与beq不同点是，不等时转移，相等时顺序执行。

功能：if(rs>0) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4==>跳转指令==> 停机指令三.实验原理1.时间周期：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。

华中科技大学HUST类MIPS单周期微处理器设计实验报告

类MIPS单周期微处理器设计实验报告|专业：班级：:学号：姓名：一、(二、微处理器各模块设计各模块的框图结构如上图所示。

由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。

图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。

1.指令存储器的设计指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。

因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。

（1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。

（2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。

…（3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。

最后单击Generate按钮生成IROM模块。

2.数据存储器的设计数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。

因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。

数据存储器基本建立过程同ROM的建立。

3.寄存器组设计《寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。

由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData 必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。

另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。

并且每次复位时所有寄存器都清零。

代码如下：module regFile(input clk,input reset,input [31:0] regWriteData,input [4:0] regWriteAddr,$input regWriteEn,output [31:0] RsData,output [31:0] RtData,input [4:0] RsAddr,input [4:0] RtAddr);reg[31:0] regs[0:31];<assign RsData = (RsAddr == 5'b0)32'b0:regs[RsAddr];assign RtData = (RtAddr == 5'b0)32'b0:regs[RtAddr];integer i;always @(posedge clk)beginif(!reset)begin|if(regWriteEn==1)beginregs[regWriteAddr]=regWriteData;endendelsebeginfor(i=0;i<31;i=i+1)。