(完整word版)《單周期CPU設計》實驗報告

計算機組成原理與接口技術實驗 績:實驗二一.實驗目 掌握單周CPU數(shù)據(jù)通路圖的構成、原理及其設計方法 掌握單周CPU的實現(xiàn)方法，代碼實現(xiàn)方法 認識和掌握指令CPU的關系 掌握測試單周期CPU的方法二.實驗內(nèi)容

設計一個單周CPUCP至少能實現(xiàn)以下指令功能操作下：==>算術運算指令（1addrd,rs,rt（說明：以助記符表示，是匯編指令；以代碼表示，是機器指令000000 rs(位 rt(位 rd(位 reserved

功能：rdrs+rtreserve為預留部分，即未用，一般填0”。

（2）addirt,rs,immediate000001 rs(位 rt(位 immediate(1位：rtrs+(sign-extendimmediate；immediat符號擴展再參加“加”運算。3）subrd,rs,rt000010 rs(位 rt(位 rd(位 reserved完成功能rdrs-rt

==>邏輯運算指令（4）orirt,rs,immediate010000 rs(位 rt(位 immediate(1位：rtrs|(zero-extendimmediate；immediat做“0”擴展再參加“或”運算。（5）andrd,rs,rt010001 rs(位 rt(位 rd(位 reserved

功能：rdrs&rt；邏輯與運算6）orrd,rs,rt010010 rs(位 rt(位 rd(位 reserved功能：rdrs|rt；邏輯或運算

==>傳送指7）moverd,rs100000 rs(位 00000 rd(位 reserved

功能：rdrs+$0$0=$zero=0==>存儲器讀/寫指令（8）swrt,immediate(rs)寫存儲100110 rs(位 rt(位 immediate(1位216

計算機組成原理與接口技術實驗功能memory[rs+(sign-extend)immediate←rtimmediat符號擴展再相加（9)lwrt,immediate(rs)讀存儲100111 rs(位 rt(位 immediate(1位：rtmemory[rs+(sign-extendimmediate]immediat加。==>分支指10beqrs,rt,immediate110000 rs(位 rt(位 immediate(位移量，1位)功能：if(rs=rt)pcpc+4+(sign-extend)immediate<<2

特別說明immediatPC+地址開始和轉移到的指令之間指令條數(shù)符號擴展之后左位再相加。為什么要左位？由于跳轉到的指令地址肯定（每條指令個字節(jié)最低兩位“00immediat是右移位的，也就是以上說的“指令之間指令條數(shù)”==>停機指

（11halt111111 00000000000000000000000000(2位功能：停機；不改P的值，P保持不變

三.實驗原理CP的執(zhí)行即一條指令用一個時鐘周期完成電平從低到高變化的瞬間稱為時鐘上升沿相鄰時鐘上升沿之間的時間間隔稱為一個時鐘周期。時鐘周期一般也稱振蕩周期（的輸出沒有經(jīng)過分頻就直接作為CPU的工作時鐘，則時鐘周期就等于振蕩周期。若振蕩周期經(jīng)二分頻形成時鐘脈沖信號作CP的工作時鐘，這樣，時鐘周期就是振蕩周期的兩倍

CP在處理指令時，一般需要經(jīng)過以下幾個步驟(1)取指令IF)根據(jù)程序計數(shù)P中的指令地址從存儲器中取出一條指令同P根據(jù)指令字長度自動遞增產(chǎn)生下一條指令所需要的指令地址，但遇時，則控制器把“轉移地址”送P，當然得到的“地址”需要做些變換才送P

(2)指令譯碼(ID)：對取指令操作中得到的指令進行分析并譯碼，確定這條指令需成的操作，從而產(chǎn)生相應的操作控制信號，用于驅動執(zhí)行狀態(tài)中的各種操作。(3)指令執(zhí)行(EXE)：根據(jù)指令譯碼得到的操作控制信號，具體地執(zhí)行指令動作轉移到結果寫回狀態(tài)(4)存儲器訪問MEM)所有需要訪問存儲器的操作都將在這個步驟中執(zhí)行出存儲器的數(shù)據(jù)地址把數(shù)據(jù)寫入到存儲器中數(shù)據(jù)地址所指定的存儲單元或者從存儲器中到數(shù)據(jù)地址單元中的數(shù)據(jù)。(5)結果寫回WB指令執(zhí)行的結果或者訪問存儲器中得到的數(shù)據(jù)寫回相應的目的寄器中。CPU，是在一個時鐘周期內(nèi)完成這五個階段的處理取指IF指令譯ID指令執(zhí)行EXE存儲器訪問MEM結果寫回WB1單周CP指令處理過316

計算機組成原理與接口技術實驗MIPS3的指令的三種格式

類型：31262521201615111065op rs rt rd sa func

6位5位5位5位5位6位I類型：312625212016150op rs rt immediate6位5位5位16位J類型：3126250op address6位26位其中，op：為操作碼

rs：第1個源操作數(shù)寄存器，寄存器地址（編號）是00000~1111，00~1F；

rt：第2個源操作數(shù)寄存器，或目的操作數(shù)寄存器，寄存器地址（同上；rd：為目的操作數(shù)寄存器，寄存器地址（同上sa：為位移量shiftam，移位指令用于指定移多少位func：為功能碼，在寄存器類型指令中R類型）用來指定指令的功能；

immediate為16位立即數(shù)用作無符號的邏輯操作數(shù)有符號的算術操作數(shù)數(shù)據(jù)加（Laod數(shù)據(jù)保（Store指令的數(shù)據(jù)地址字節(jié)偏移量和分支指令中相對程序計數(shù)（PC）的有符號偏移量address：為地址。416

計算機組成原理與接口技術實驗2單周CP數(shù)據(jù)通路和控制線路是一個簡單的基本上能夠在單周期上完成所要求設計的指令功能的數(shù)據(jù)通路和必要的控制線路圖。其中指令和數(shù)據(jù)各存儲在不同存儲器中，即有指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。訪問存儲器時，先給出地址，然后由讀/寫信號控制1寫0-讀。當然，也可以由時鐘信號控制，但必須在圖上標出）。對于寄存器組，讀操作時，先給出地址，輸出端就直接輸出相應數(shù)據(jù)；而在寫操作時，在W使能信號時，在時鐘邊沿觸發(fā)寫入。圖中控制信號作用如所示，AL運算功能表。1控制信號的作用控制信號 狀態(tài)“0 狀態(tài)“1PCWre P不更改，相關指令：halt P更改，相關指令：除指hal來sigzer來sigzer

關指令：ori、sw、令：addsub、rand、

movebeqRegWreRegWre 無寫寄存器組寄存器，相關指令：sw、haltALUM2Reg 來AL令：addsub、ori、r、and、move出，相關指令：sub、ori、or、and、move、InsMemRW 讀指令存儲器(Ins.Data)，初始化0 寫指令存儲DataMemRW 讀數(shù)據(jù)存儲器，相關指令：lw 寫數(shù)據(jù)存儲器，相關指令：sw516

ExtSel 相關指令：ori，(zero-extend)immediate（）PCSrc sub、ori、or、and、move、sw、lw、beq(zero=0)RegOutRegOut 寫寄存器組寄存器的地址，來字段，相關指令：ori、lw計算機組成原理與接口技術實驗相關指令sw、wbeq，）zero=，相關指令：beq寫寄存器組寄存器的地址，來r段，相關指令add、sub、and、

ormoveALUOp[2..0] ALU種運算功能選擇(000-111)，看功能相關部件及引腳說明InstructionMemory指令存儲器

Iaddr，指令存儲器地址輸入端

IDataIn，指令存儲器數(shù)據(jù)輸入端口（指令代碼輸入端口

IDataOut，指令存儲器數(shù)據(jù)輸出端口（指令代碼輸出端口

RW，指令存儲器讀寫控制信號，DataMemory：數(shù)據(jù)存儲器Daddr，數(shù)據(jù)存儲器地址輸入端

DataIn，數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)輸入端

DataOut，數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)輸出端

RW，數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制信號，RegisterFile（寄存器組）ReadReg1，r寄存器地址輸入端ReadReg2，r寄存器地址輸入端WriteReg，將數(shù)據(jù)寫入的寄存器端口，其地址來rr段

WriteData，寫入寄存器的數(shù)據(jù)輸入端ReadData1，r寄存器數(shù)據(jù)輸出端ReadData2，r寄存器數(shù)據(jù)輸出端

WE，寫使能信號，時，在時鐘上升沿寫ALUresult，運算結zero，運算結果標志，結果1，否則輸02AL運算功能表ALUOp[2..0] 功能 描述000 A+B 加001 減010 減011 或100 與101 /A∧ B616

計算機組成原理與接口技術實驗110 AB 異或111 同或需要說明的是根據(jù)要實現(xiàn)的指令功能要求畫出以上數(shù)據(jù)通路圖，和確AL能(當然，以上指令沒有完全用到提供的AL所有功能，但至少必須能實現(xiàn)以上指令功能操作通路圖上可以看出控制單元部分需要產(chǎn)生各種控制信號當然制單元從指令功能要求和數(shù)據(jù)通路圖的關系得出以上1這樣信號與相應指令之間的相互關系，根據(jù)這種關系就可以得出控制信號與指令之間的關系表（留給學生完成可實現(xiàn)了指令執(zhí)行的結果總是在下個時鐘到來前開始保存到寄存器、或存儲器中P是在這個時候進行值得注意的問題設計時用模塊化的思想方法設計設計存儲器設計寄存器組設計等等也是必須認真考慮的問題可以參考其他資料文檔里面有相應的設計方法介紹.四.實驗器材電腦一臺XilinxISE軟件一套五.實驗分析與設計模塊分析根據(jù)單周期CPU數(shù)據(jù)通路和控制線路圖大致可以將CPU分為右圖七個模塊，每個模塊負責一個部分的功能：（代碼存于code文件夾716

計算機組成原理與接口技術實驗(圖的下方為各個模塊的變量，在后圖會出現(xiàn)，故省略)CPU負責各模塊之間的數(shù)據(jù)的傳輸同C語言中的頭文件其中clk信號在此聲明816

計算機組成原理與接口技術實驗CUU負責指令的解析即將由M讀取的指令轉化為操作發(fā)送給其他子模塊進行操作PC：負責指令的計數(shù)，已經(jīng)指令的向前或向后跳動，每個時鐘周期計數(shù)加一。ROM即存儲器發(fā)送信息CPU的指令文件即由M讀取只讀的數(shù)據(jù)文件916

計算機組成原理與接口技術實驗RAM：內(nèi)存，可讀可寫，用來保存臨時數(shù)據(jù)，匯編語言中$s的儲存地點。RF：寄存器，可讀可寫，數(shù)據(jù)由寄存器發(fā)送ALU計算，匯編語言中$t的儲存地點。1016

計算機組成原理與接口技術實驗SE：產(chǎn)生立即數(shù)，將發(fā)送過來的半數(shù)零拓展或符號拓展ALU：算術單元，加減乘除邏輯運算等等，都在這里計算測試數(shù)據(jù)輸00000000000000000000000000000000（不操作可得到如上圖CPU正確運行116

計算機組成原理與接口技術實驗實驗測試：（根據(jù)實驗內(nèi)容指令表格0,1,2,3算術運算指令4,5,6邏輯運算指7傳送指令8,9存儲器讀/寫指10,11分支指令14停機指指令序 op rs rt rd reserved0 000000 00001 00010 00011 00000000000 add $1 $2 $3 $3=$1+$2=01 000001 00011 00100 0000000000000011 addi $3 $4 $4=$3+3=32 000001 00100 00010 0000000000001000 addi $4 $2 $2=$4+8=113 000010 00010 00100 00001 00000000000 sub $2 $4 $1 $1=$2-$4=84 010000 00010 00101 0000000000001000 ori $2 $5 $5=$2|（上式）=115 010001 00001 00010 00110 00000000000 and $1 $2 $6 $6=$1&$2=86 010010 00001 00010 00111 00000000000 or $1 $2 $7 $7=$1|$2=117 100000 00111 00000 01000 00000000000 move $7 $zero $8 $8=$78 100110 01000 00001 0000000000000100 sw $8 $1 RAM[$8+4]=$19 100111 00001 01000 0000000000000100 lw $1 $8 $8=010 110000 00001 00010 0000000000000000 beq $1 $2 $1!=$2,pc=pc+111 110000 00010 00101 0000000000000001 beq $2 $5 $2==$5,pc=pc+21216

計算機組成原理與接口技術實驗12 000001 00001 00010 0000000000000001 addi $1