计算机设计与实践给定指令系统的 处理器设计实验报告
计算机组成原理实验报告 单周期CPU的设计与实现
1个时钟周期 Clock 电子科技大学计算机科学与工程学院标 准 实 验 报 告（实验）课程名称： 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学 实 验 报 告学生姓名： 郫县尼克杨 学 号： 2014 指导教师：陈虹 实验地点： 主楼A2-411 实验时间：12周-15周一、 实验室名称：主楼A2-411二、 实验项目名称：单周期CPU 的设计与实现。
三、 实验学时：8学时四、 实验原理：（一） 概述单周期（Single Cycle ）CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。
一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。
对于单周期CPU 来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。
（二） 单周期cpu 总体电路本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。
（三） MIPS 指令格式化MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。
本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。
以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。
MIPS 的指令格式为32位。
下图给出MIPS 指令的3种格式。
本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。
下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。
五、 实验目的1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、运算器等。
?2、认识和掌握指令与CPU 的关系、指令的执行过程。
?3、熟练使用硬件描述语言Verilog 、EDA 工具软件进行软件设计与仿真，以培养学生的分析和设计CPU 的能力。
六、 实验内容（一）拟定本实验的指令系统，指令应包含R 型指令、I 型指令和J 型指令，指令数为9条。
（二）CPU 各功能模块的设计与实现。
（三）对设计的各个模块的仿真测试。
（四）整个CPU 的封装与测试。
七、 实验器材（设备、元器件）：（一）安装了Xilinx ISE Design Suite 13.4的PC 机一台（二）FPGA 开发板：Anvyl Spartan6/XC6SLX45（三）计算机与FPGA 开发板通过JTAG （Joint Test Action Group ）接口连接，其连接方式如图所示。
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。
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计算机组成原理实验报告
计算机组成与系统结构实验报告CPU设计与实现院（系）：专业班级：计算机科学与技术组员：指导教师：实验目的:设计实现CPU部件。
实验仪器：PC机（安装Altebra 公司的开发软件 QuartusII，Modelsim）两台TEC-CA计算机组成原理试验箱实验过程：一、理论设计、设计指令集设计CPU第一步，就是根据需求，确定功能，并且设计出指令集。
指令集包括每一条指令的编码方式，操作码以及每一条指令实现的功能。
考虑到第一次设计CPU，在指令集设计过程中难免会出现考虑不周全或者指令集设计不科学的问题，我们借鉴了经典的31条MIPS指令集。
在对指令集每一条指令进行解读、分析后，我们确定：31条MIPS指令可以满足我们的CPU的基本功能。
下面将31条MIPS指令的编码格式、对应的操作类型以表格的形式列举出来：经典的MIPS指令有三种格式：R-TYPE、I-TYPE、J-TYPE。
其编码格式各不相同，分别代表寄存器操作指令、立即数操作指令、跳转指令。
寄存器操作主要是将寄存器中的树取出进行运算并存回寄存器；立即数操作为一个寄存器数与指令中的扩展后的立即数进行运算得到结果再存回寄存器；跳转我们后面的设计都是对这31条指令进行具体实现，所有的内容紧密围绕这31条指令。
、画数据通路图在设计完指令后，要做的就是根据指令描述的功能确定CPU有哪些部件，并且确定各部件之间的连线方式。
首先，一个CPU最重要的部件一定是控制器。
控制器就像人的大脑，控制其他各个部件的工作。
其次，由于是基于MIPS指令集的CPU，大多数操作基于寄存器，因此必须设计一个寄存器堆。
此外，ALU 运算部件对于CPU来说也是必不可少的。
由于有六条指令涉及比较操作，并且给有效位置位。
考虑到本CPU设计初衷是四级流水控制，若一条指令多个节拍使用ALU部件会造成部件冲突，后期控制会比较复杂。
因此，在本CPU中额外设计了一个比较部件。
此外，还有其他部件，如PC部件、立即数扩展部件、数据寄存器、地址寄存器等。
计算机设计与实践给定指令系统的 处理器设计实验报告
Reset 测试 ................................................................. 15 SUB 测试 ................................................................... 15 ADD 测试 ................................................................... 15 STA 和 LDA 测试 ............................................................. 16 MVI 测试 ................................................................... 16 MOV 测试 ................................................................... 17 IN 和 OUT 测试 .............................................................. 17 JMP 测试 ................................................................... 18 JZ 测试 .................................................................... 18 管脚定义与测试程序 ............................................................ 18 实验感悟与思考 ................................................................ 24 关于 PC 更新的问题 ............................................................ 24 关于数据总线与传输数据长度不匹配的问题 ....................................... 24 实验感悟 ..................................................................... 24
cpu组成与机器指令执行实验实验报告
cpu组成与机器指令执行实验实验报告CPU组成与机器指令执行实验实验报告一、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成部分。
理解CPU的组成和机器指令的执行过程对于深入理解计算机的工作原理至关重要。
本实验旨在通过搭建一个简单的CPU模型，探究CPU的组成结构和机器指令的执行过程。
二、实验原理1. CPU的组成结构CPU主要由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责进行各种算术和逻辑运算，控制器则负责指挥各个部件的工作，寄存器用于存储数据和指令。
2. 机器指令的执行过程机器指令的执行包括取指令、译码、执行和访存四个阶段。
取指令阶段从内存中读取指令，译码阶段将指令翻译成对应的操作，执行阶段进行运算或逻辑操作，访存阶段用于读取或写入数据。
三、实验过程1. 搭建CPU模型根据实验要求，我们搭建了一个简单的CPU模型，包括运算器、控制器和寄存器。
通过将这些部件连接起来，我们可以模拟CPU的工作过程。
2. 编写指令为了测试CPU的功能，我们编写了一些简单的指令，包括加法、减法和逻辑运算等。
这些指令将被存储在内存中，CPU在执行过程中会逐条读取并执行。
3. 执行指令我们按照预定的顺序执行指令，观察CPU的工作状态和输出结果。
通过这个过程，我们可以更好地理解指令的执行过程和CPU的工作原理。
四、实验结果在实验过程中，我们成功搭建了一个简单的CPU模型，并编写了一些指令进行测试。
通过执行这些指令，我们观察到CPU按照预期工作，并得到了正确的输出结果。
五、实验分析通过本次实验，我们深入了解了CPU的组成结构和机器指令的执行过程。
我们发现，CPU的运算器、控制器和寄存器相互配合，完成了复杂的运算和逻辑操作。
同时，我们也注意到指令的执行过程需要经过多个阶段，每个阶段都起到了重要的作用。
六、实验总结本次实验让我们对CPU的组成与机器指令的执行有了更深入的理解。
通过搭建CPU模型并执行指令，我们亲身体验了CPU的工作过程，加深了对计算机原理的理解。
计算机原理实验报告
实验名称：计算机原理实验实验日期：2023年X月X日实验地点：计算机实验室实验目的：1. 理解计算机的基本工作原理和组成结构。
2. 掌握计算机各部件的功能和相互关系。
3. 熟悉计算机指令系统和工作流程。
4. 培养动手能力和实验技能。
实验内容：一、计算机硬件组成实验1. 实验目的：了解计算机硬件的组成和各部件的功能。
2. 实验步骤：（1）观察计算机主机，识别各硬件部件，如CPU、内存、硬盘、显卡等。
（2）了解各硬件部件的功能和相互关系。
（3）拆装计算机，练习硬件组装和维修。
二、计算机指令系统实验1. 实验目的：熟悉计算机指令系统，掌握指令的格式和功能。
2. 实验步骤：（1）学习计算机指令系统的基础知识，了解指令的分类和功能。
（2）分析指令的格式，掌握指令的编码方式。
（3）编写简单的程序，实现指令的功能。
三、计算机工作流程实验1. 实验目的：理解计算机的工作流程，掌握程序执行的过程。
2. 实验步骤：（1）学习计算机工作流程的基本知识，了解程序的加载、执行和存储过程。
（2）观察计算机运行程序的过程，分析程序执行过程中的指令执行顺序。
（3）编写程序，验证程序执行的正确性。
实验结果与分析：一、计算机硬件组成实验实验结果：通过观察和拆装计算机，掌握了计算机硬件的组成和各部件的功能，熟悉了计算机的硬件结构。
分析：计算机硬件是计算机系统的基础，了解硬件组成有助于更好地理解计算机的工作原理。
二、计算机指令系统实验实验结果：学习了计算机指令系统的基础知识，掌握了指令的格式和功能，能够编写简单的程序实现指令的功能。
分析：计算机指令系统是计算机执行程序的基础，熟悉指令系统对于程序设计和开发具有重要意义。
三、计算机工作流程实验实验结果：理解了计算机的工作流程，掌握了程序执行的过程，能够分析程序执行过程中的指令执行顺序。
分析：计算机工作流程是计算机执行程序的关键，了解工作流程有助于优化程序设计和提高程序执行效率。
实验总结：本次计算机原理实验使我对计算机的基本工作原理和组成结构有了更深入的了解。
计算机设计与实践CPU设计报告(内含详细说明及各模块源码)
Sbb Ri,Rj
10010
Reg(Ad1(IR))-Reg(Ad2(IR))-Reg(cy)->Reg(Ad1(IR))
9
And Ri,X
11000
Reg(Ad1(IR)) and Reg(Ad(IR))->Reg(Ad1(IR))
10
And Ri,Rj
10011
Reg(Ad1(IR)) and Reg(Ad2(IR))->Reg(Ad1(IR))
Reg(R0)//1->Reg(cy)
15
Jmp add
00000
Reg(R7)//Ad(IR)->PC
16
Jz sign
00001
Zero(Reg(Ad1(IR)))·Reg(R7)//Ad(IR)+NZero(Reg(Ad1(IR)))·PC->PC
17
Jc sign
00010
C=1:PC+1+sign->PC
5 访存控制模块
5.1结构框图：
pc_r ir_out
pc_in nMREQ
mem_signal nRD
mem_rw nWR
addr_in data_out
nBHE
data_in nBLE
DBUS
ABUS
5.2功能描述：当取址模块发出取址请求时，根据PC取出指令送给取址模块；根据存储管理模块给的读写请求对存储器进行读写操作。
计算机设计与实践
CPU设计报告
学号：1110310506
姓名：刘秋如
一、指令格式设计
￭指令是由操作码和地址码两部分组成的.
￭指令系统中指定所有的指令都是二地址指令.
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设计实验报告Word版
实验中央处理器的设计与实现一、实验目的1、理解中央处理器的原理图设计方法。
2、能够设计实现典型MIPS的11条指令。
二、实验要求1、使用Logisim完成数据通路、控制器的设计与实现。
2、完成整个处理器的集成与验证。
3、撰写实验报告，并提交电路源文件。
三、实验环境VMware Workstations Pro + Windows XP + Logisim-win-2.7.1四、操作方法与实验步骤1、数据通路的设计与实现数据通路主要由NPC、指令存储器、32位寄存器文件、立即数扩展部件、ALU、数据存储器构成。
其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的ROM和RAM元件直接完成，其余部件的设计如图所示：图1.1 NPC图1.2 32位寄存器图1.3 立即数扩展部件图1.4 ALU2、控制器的设计与实现控制器的主要设计思想如图所示图2.1 控制器设计思想输入000000001101100011101011000100000010输出R-type ORI LW SW BEQ JUMP RegDst100x x x ALUSrc01110x MemtoReg001x x x RegWrite111000 MemWrite000100 Branch000010 Jump000001 Extop x0111x ALUop210000x ALUop1x100x x ALUop0x0001xALUop[2:0]Funct[3:0]指令ALUctr[2:0] 1110000add0101110010sub1101110100and0001110101or0011111010slt111010xxxx ori001000xxxx Lw/sw010011xxxx beq110表2.1 控制器设计真值表图2.2 控制器3、处理器的集成与验证集成：将各个部件按要求链接，具体方式如图所示：图3.1 CPU验证：将指令的16进制表示输入指令存储器，运行后记录寄存器中的数据与标准值进行对照：图3.2 寄存器对照值图3.3 寄存器实际运行值由上两图对照可得CPU的功能实现成功。
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组成与机器指令执行实验报告
CPU组成与机器指令执行实验报告1. 引言本实验旨在探究中央处理器（CPU）的组成以及机器指令的执行过程。
通过深入理解CPU的工作原理和机器指令的执行流程，我们可以更好地理解计算机的数据处理过程。
2. CPU的组成CPU是计算机的核心组件之一，它负责执行计算机上的所有任务。
一个典型的CPU由以下几个重要组成部分构成：2.1 控制单元（Control Unit）控制单元是CPU的核心组件之一，负责协调和控制整个CPU的操作。
它从存储器中读取指令，并解码这些指令以确定下一步的操作。
2.2 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）算术逻辑单元是CPU的另一个重要组成部分，负责执行各种算术和逻辑运算，如加法、减法、乘法、除法等。
ALU能够执行基本的数学计算和布尔逻辑运算。
2.3 寄存器（Registers）寄存器是CPU内部的临时存储器，用于存储指令和数据。
CPU拥有多个寄存器，每个寄存器都有特定的功能，如程序计数器（Program Counter，PC）用于存储下一条指令的地址，累加器（Accumulator）用于存储运算结果等。
3. 机器指令的执行过程机器指令是计算机能够理解和执行的指令，它们以二进制的形式表示。
机器指令的执行过程可以分为以下几个步骤：3.1 取指令（Fetch）控制单元从存储器中读取下一条指令，并将其存储在指令寄存器（Instruction Register，IR）中。
3.2 解码指令（Decode）控制单元解码指令寄存器中的指令，确定需要执行的操作类型和操作数。
3.3 执行指令（Execute）根据解码的结果，CPU执行指令中指定的操作。
这可能涉及到从寄存器中读取数据、进行算术运算、修改寄存器的值等。
3.4 存储结果（Store）执行指令后，结果可能需要存储在寄存器或存储器中，以备后续操作使用。
4. 实验步骤在本次实验中，我们将使用一个简单的汇编语言程序来演示机器指令的执行过程。
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》word版
CPU设计实验报告姓名：学号：邮箱：一、实验目的：1、掌握硬件描述语言VHDL和EDA工具Quartus II；利用VHDL设计16位串行CPU，实现算术和逻辑运算指令、转移指令、访存指令、堆栈指令和控制指令；2、掌握CPU的调试和测试方法。
二、实验内容：1、运用硬件描述语言VHDL实现寄存器堆和算数逻辑单元设计、指令集和指令格式、时序设计和整体结构设计、指令译码器的设计、访存单元的设计、调试单元的设计；2、上机调试。
三、实验步骤：1、寄存器堆的设计寄存器堆由16个16位寄存器组成。
其中reset是异步清0端，reset=0时将所有寄存器清0。
dr_sel和sr_sel是目实用文档标寄存器和源寄存器编号，dr_out和sr_out输出目标寄存器和源寄存器的内容。
reg_sel指定一个寄存器编号，将该寄存器内容送给reg_out，这两个端口用于调试时观察每个寄存器的值。
reg_en是写允许端。
reg_en=“01”时，在clk的上升沿将from_alu写入dr_sel指定的寄存器；reg_en=“10”时，在clk的上升沿将from_mem写入dr_sel指定的寄存器。
reg_en取其他值时不改变寄存器堆的值。
设计方法：subtype WORD is std_logic_vector(15 downto 0);type REGISTERARRAY is array ( 0 to 15 ) of WORD;signal reg_bank: REGISTERARRAY 则reg_bank就是我们所需要的寄存器堆。
写寄存器堆的方法：reg_bank(conv_integer(dr_sel))<=from_alu;实用文档读寄存器堆的方法：dr_out <= reg_bank(conv_integer(dr_sel));其中，conv_integer是STD_LOGIC_ UNSINGED 程序包提供的函数，将标准逻辑矢量转换成整数，作为reg_bank 的下标。
如何写cpu报告
如何写cpu报告Computer Organization and ArchitectureCourse DesignCPU REPORT04006628邓睿 04006618 肖游龙 Time:201*.04.08PurposeThe purpose of this project is to design a simple CPU (Central Processing Unit). This CPU has basic instruction set, and we will utilize its instruction set to generate a very simple program to verify its performance. For simplicity, we will only consider the relationship among the CPU, registers, memory and instruction set. That is to say we only need consider the following items: Read/Write Registers, Read/Write Memory and Execute the instructions.At least four parts constitute a simple CPU: thecontrol unit, the internal registers, the ALU and instruction set, which are the main aspects of our project design and will be studied.Instruction SetSingle-address instruction format is used in our simple CPU design. The instruction word contains two sections: the operation code (opcode), which defines the function of instructions (addition, subtraction, logic operations, etc.); the address part, in most instructions, the address part contains the memory location of the datum to beoperated, we called it direct addressing. In some instructions, the address part is the operand, which is called immediate addressing.For simplicity, the size of memory is 25616 in the puter. The instruction word has 16 bits. The opcode part has 8 bits and address part has 8 bits. The instruction word format can be expressed in Figure 1Figure 1 the instruction formatInternal Registers and MemoryMAR (Memory Address Register)MAR contains the memory location of the word to be read from the memory or written into the memory. Here, READ operation is denoted as the CPU reads from memory, and WRITE operation is denoted as the CPU writes to memory. In our design, MAR has 8 bits to aess one of 256 addresses of the memory.MBR (Memory Buffer Register)MBR contains the value to be stored in memory or the last value read from memory. MBR is connected to the address lines of the system bus. In our design, MBR has 16 bits.PC (Program Counter)PC keeps track of the instructions to be used in the program. In our design, PC has 8 bits.IR (Instruction Register)IR contains the opcode part of an instruction. In our design, IR has 8 bits.BR (Buffer Register)BR is used as an input of ALU, it holds other operand for ALU. In our design, BR has 16 bits.ACC (Aumulator)ACC holds one operand for ALU, and generally ACC holds the calculation result of ALU. In our design, ACC has 16 bits.MR (Multiplier Register)MR is used for implementing the MPY instruction, holding the multiplier at the beginning of the instruction. When the instruction is executed, it holds part of the product.DR (Division Register)DR is used for implementing the DIV instruction, you can define it aording to your division algorithm.LPMRAMDQLPMRAMDQ is a RAM with separate input and output ports, it works as memory, and its size is 25616. Although it’s not an internal register of CPU, we need it to simulate and test the performance of CPU.All the registers are positive-edge-triggered.All the reset signals for the registers are synchronized to the clock signal.ALUALU (Arithmetic Logic Unit) is a calculation unit which aomplishes basic arithmetic and logic operations. In our design, some operations must be supported which are listed as followsMicroprogrammed Control UnitWe have learnt the knowledge of Microprogrammed control unit. Here, we only review some terms and basic structures.In the Microprogrammed control, the microprogram consists of some microinstructions and the microprogram is stored in control memory that generates all the control signals required to execute the instruction set correctly. The microinstruction contains some micro-operations which are executed at the same time.Figure 2 Control Unit Micro-architectureFigure 2 shows the key elements of such an implementation. The set of microinstructions is stored in the control memory. The control address register contains the address of the next microinstructions to be read. When a microinstruction is read from the control memory, it is transferred to a control buffer register. The register connects to the control lines emanating from the control unit. Thus, reading a microinstruction from the control memory is the same as executing that microinstruction. Thethird element shown in the figure is a sequencing unit that loads the control address register and issues a read mand.CPU DesignFigure 3 CPU data path and control signalsFigure 3 indicates a simple CPU architecture and itsuse of a variety of internal data paths and control signals. Our CPU design should be based on this architecture.Example: LOAD instructionFigure 4 Control Flowchart of the LOAD instruction目录1.引言集成电路（Integrated Circuit,IC）是电子电路，但它又不同于一般意义上的电子电路，它把成千上万的电子元件包括晶体管、电阻、电容甚至电感集成在微小的芯片上。
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。
中山大学计算机组成原理实验单周期CPU设计
中⼭⼤学计算机组成原理实验单周期CPU设计《计算机组成原理实验》实验报告（实验三）学院名称：数据科学与计算机学院专业（班级）：学⽣姓名：学号：时间：2019 年11 ⽉8 ⽇成绩:实验三：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。
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。
指令与格式如下：==> 算术运算指令加“加”运算。
加“加”运算。
==> 逻辑运算指令加“与”运算。
功能：GPR[rt] ←GPR[rs] or zero_extend(immediate)。
==>移位指令==>⽐较指令==> 存储器读/写指令==> 分⽀指令else pc ←pc + 4特别说明：offset是从PC+4地址开始和转移到的指令之间指令条数。
offset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offset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”。
else pc ←pc + 4（16）bltz rs, offsetelse pc ←pc + 4。
==>跳转指令（17）j addr说明：由于MIPS32的指令代码长度占4个字节，所以指令地址⼆进制数最低2位均为0，将指令地址放进指令代码中时，可省掉！这样，除了最⾼6位操作码外，还有26位可⽤于存放地址，事实上，可存放28位地址，剩下最⾼4位由pc+4最⾼4位拼接上。
==> 停机指令功能：停机；不改变PC的值，PC保持不变。
三.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。
cpu组成与机器指令执行实验实验报告
cpu组成与机器指令执行实验实验报告
CPU组成与机器指令执行实验实验报告
摘要：本实验旨在通过对CPU组成与机器指令执行的实验，深入了解CPU的
结构和工作原理，以及机器指令的执行过程。
实验结果表明，CPU由控制单元、运算单元和寄存器组成，通过时钟信号控制各个部件协调工作，而机器指令的
执行则是通过取指、译码、执行和写回四个阶段完成的。
1. 实验目的
通过实验，深入了解CPU的组成和机器指令的执行过程，加深对计算机硬件的
理解。
2. 实验内容
（1）CPU组成实验：通过拆解一台计算机，了解CPU的组成结构，包括控制
单元、运算单元和寄存器等部件。
（2）机器指令执行实验：通过搭建一个简单的计算机模型，模拟机器指令的执行过程，包括取指、译码、执行和写回四个阶段。
3. 实验步骤
（1）CPU组成实验：拆解计算机，观察CPU的各个部件，了解其结构和功能。
（2）机器指令执行实验：搭建计算机模型，编写简单的机器指令，模拟指令的执行过程。
4. 实验结果
（1）CPU组成实验：观察到CPU由控制单元、运算单元和寄存器组成，通过
时钟信号控制各个部件协调工作。
（2）机器指令执行实验：模拟了机器指令的执行过程，包括取指、译码、执行
和写回四个阶段，加深了对机器指令执行过程的理解。
5. 实验结论
通过本次实验，深入了解了CPU的组成和机器指令的执行过程，加深了对计算机硬件的理解，为进一步学习计算机原理打下了良好的基础。
综上所述，本次实验对于加深对CPU组成和机器指令执行过程的理解起到了积极的作用，为进一步学习计算机原理提供了良好的基础。
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。
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Reset 测试 ................................................................. 15 SUB 测试 ................................................................... 15 ADD 测试 ................................................................... 15 STA 和 LDA 测试 ............................................................. 16 MVI 测试 ................................................................... 16 MOV 测试 ................................................................... 17 IN 和 OUT 测试 .............................................................. 17 JMP 测试 ................................................................... 18 JZ 测试 .................................................................... 18 管脚定义与测试程序 ............................................................ 18 实验感悟与思考 ................................................................ 24 关于 PC 更新的问题 ............................................................ 24 关于数据总线与传输数据长度不匹配的问题 ....................................... 24 实验感悟 ..................................................................... 24
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寄存器传送指令 MOV Ri, Rj Reg(Ad2(IR)) → Reg(Ad1(IR))
立即数传送指令 MVI Ri, X X → Reg(Ad1(IR))
2) 访存指令 存数指令 STA Ri, X Reg(R7)//Ad(IR)→MAR；1→W； Reg(Ad1(IR))→MDR； MDR→M(MAR) 取数指令 LDA Ri, X Reg(R7)//Ad(IR)→MAR；1→R； M(MAR)→MDR； MDR→Reg(Ad1(IR))
非 访 存 ADD 加法指令
00110 XXX 00000 XXX Ri + Rj → Ri
指令
MVI 立即数传送指 01000 XXX XXXXXXXX X → Ri
令
MOV 寄存器传送指 01010 XXX 00000 XXX Rj → Ri
令
STA 存数指令
01100 XXX XXXXXXXX Ri →[R7//IR(7 downto
访存指
0)]
令
LDA 取数指令
01110 XXX XXXXXXXX [R7//IR(7 downto 0)]
→RiIN 输入指令Fra bibliotek10000 XXX 000000 XX [PORT] → Ri
I/O 指令 OUT 输出指令
10010 XXX 000000 XX Ri → [PORT]
2. 微操作的定义 取指阶段 PC→MAR；1→R； M(MAR)→MDR； MDR→IR； PC+1→PC； 执行阶段 1) 非访存指令 加法指令 ADD Ri, Rj Reg(Ad1(IR)) + Reg(Ad2(IR)) → Reg(Ad1(IR)) 减法指令 SUB Ri, Rj Reg(Ad1(IR)) - Reg(Ad2(IR)) → Reg(Ad1(IR))
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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，ISim 仿真工具，SD2100 实验平台
三、 设计思想
指令格式的设计 ................................................................ 4 微操作的定义 .................................................................. 4 节拍的划分 .................................................................... 5 处理器结构设计框图及功能描述 ................................................. 6 各功能模块结构设计框图及功能描述 .............................................. 6
时钟管理模块 ................................................................ 6 取指模块 .................................................................... 7 运算管理模块 ................................................................ 7 存储管理模块 ................................................................ 7 回写模块 .................................................................... 8 访存控制模块 ................................................................ 8 各模块接口信号定义 ............................................................ 8 时钟管理模块 ................................................................ 8 取指模块 .................................................................... 8 运算管理模块 ................................................................ 9 存储管理模块 ................................................................ 9 回写模块 .................................................................... 9 访存控制模块 ............................................................... 10 控制器 ..................................................................... 10 实验测试与结果分析 ............................................................ 11 时钟管理模块 ................................................................. 11 取指模块 ..................................................................... 11 运算管理模块 ................................................................. 11 存储管理模块 ................................................................. 13 回写模块 ..................................................................... 13 访存控制模块 ................................................................. 14 综合测试 ..................................................................... 14
3) 转移类指令 条件转移（零则转）指令 JZ Ri, X [Zero(Reg(Ad1(IR)))·Reg(R7)//Ad(IR) +Nzero(Reg(Ad1(IR)))]+PC→PC 无条件转移指令 JMP X Reg(R7)//Ad(IR)+PC→PC
4) I/O 指令 输入指令 IN Ri,PORT [PORT] → Reg(Ad1(IR)) 输出指令 OUT Ri,PORT Reg(Ad1(IR)) → [PORT]
1. 指令格式的设计
JMP 无条件跳转指 00000 XXX XXXXXXXX [R7//IR(7 downto 0]→