单周期CPU设计

短学期综合实验报告

实验名称：单周期CPU设计

院系：信息科学与工程学院

专业：计算机科学与技术

组员：XXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXX

指导老师：XXXXXXX

二〇一一年七月八日

摘要

中央处理器（CPU）是计算机取指令和执行指令的部件，它是由算术逻辑单元（ALU）、寄存器和控制器组成，简称处理器（或CPU），CPU是计算机系统的核心部件，在各类信息终端中得到了广泛的应用。处理器的设计及制造技术也是计算机技术的核心之一。

CPU设计的第一步应当根据指令系统来建立数据路径，再定义各个部件的控制信号，确定时钟周期，完成控制器的设计。然后建立数据路径，进而可以进行数字设计、电路设计，最后完成物理实现。而在本次试验中，我们研究的重点是数据路径的建立和控制器的实现。

一个机器的性能由三个关键因素决定：指令数、时钟周期，以及执行每条指令所需的时钟周期数（CPI）。然而不论是时钟周期，还是每条指令所需的时钟周期数目，都是由处理器的实现情况决定的。在本次试验中，我们构造了单周期的数据路径和组合逻辑实现的控制器。

本次试验中，我们运用Quartus II 8.0软件设计出了一个拥有6条指令的单周期CPU，并对它进行了简单的测试，最终完成了一个正确的单周期CPU的设计。

关键词：数据路径，控制器，控制信号，单周期

Abstract

Central processing unit (CPU) is a computer instruction fetch and execution of components, it is an arithmetic logic unit (ALU), registers and a controller, referred to as the processor (or CPU), CPU is the core component of computer systems in all type information terminal has been widely used. Processor design and manufacturing technology is one of the core computer technology.

The first step should be based on CPU design instruction to create a data path, and then define the various components of the control signals to determine the clock cycle, the controller design. Then set up a data path, and then can be digital design, circuit design, physical implementation finalized. In this experiment, the focus of our research is to establish the data path and controller implementation.

The performance of a machine consists of three key factors: the number of instructions, clock cycles to execute each instruction as well as the required number of clock cycles (CPI). Whether it be a clock cycle, each instruction or the number of clock cycles required are determined by the achievement of the processor. In this study, we constructed single-cycle data path and the combinational logic to achieve the controller.

This experiment, we use Quartus II 8.0 software to design a single-cycle instruction with 6 CPU, and it conducted a simple test, the

final completion of a proper single-cycle CPU design.

Keywords：Data path，Controller，Control Signal，Single-cycle

实验内容：

1、通过实验的学习，基本熟悉quartersⅡ软件的使用，并能熟练运用试验所需元件。

2、明白各个指令处理过程，然后设计数据路径的控制信号，最终完成单周期CPU的基本指令的设计。

2、通过本次实验，对CPU指令的读取和执行过程更加清晰，明确。实验器材：

PC机，Quartus II 8.0 软件

实验原理：

单周期CPU的特点是每条指令的执行需要一个时钟周期，一条指令执行完再执行下一条指令。假设该单周期CPU能够处理的指令格式如下：

(1)ADD rs , rt , rd

完成功能：rd←rs+rt

(2)LW rt , offset(base)

完成功能：16位的offset经过0扩展到32位，与寄存器base 中值相加，结果作为地址，以此地址取字保存到寄存器rt中。

(3)SW rt , offset(16位)

完成功能：16位的offset经过0扩展到32位，与寄存器base 中值相加，结果作为地址，将寄存器rt的值保存到此地址内存中。

(4)MOVE rs , rd

完成功能：rd←rs

(5)AND rs , rt , rd

完成功能：rd←rs AND rt

(6)J target

完成功能：26位地址的后8位成为跳转的目标地址。