《单周期CPU设计》实验报告报告.docx

《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：实验目的掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法；掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法；认识和掌握指令与CPU的关系；掌握测试单周期CPU的方法。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（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）000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs + rt。reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。（2）addirt , rs ,immediate000001rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs+ (sign-extend)immediate；immediate符号扩展再参加“加”运算。 （3）sub rd , rs , rt000010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved完成功能：rd←rs - rt== 逻辑运算指令（4）orirt , rs ,immediate010000rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs| (zero-extend)immediate；immediate做“0”扩展再参加“或”运算。（5）and rd , rs , rt010001rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs rt；逻辑与运算。 （6）or rd , rs , rt010010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs|rt；逻辑或运算。== 传送指令 （7）move rd , rs100000rs(5位)00000rd(5位)reserved功能：rd←rs + $0 ；$0=$zero=0。== 存储器读/写指令（8）swrt ,immediate(rs) 写存储器100110rs(5位)rt(5位)immediate(16位) 功能：memory[rs+ (sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。（9) lwrt , immediate(rs) 读存储器100111rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt ← memory[rs + (sign-extend)immediate]；immediate符号扩展再相加。== 分支指令（10）beqrs,rt,immediate110000rs(5位)rt(5位)immediate(位移量，16位)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。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”。== 停机指令（11）halt 11111100000000000000000000000000(26位)功能：停机；不改变PC的值，PC保持不变。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。电平从低到高变化的瞬间称为时钟上升沿，两个相邻时钟上升沿之间的时间间隔称为一个时钟周期。时钟周期一般也称振荡周期（如果晶振的输出没有经过分频就直接作为CPU的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期。若振荡周期经二分频后形成时钟脉冲信号作为CPU的工作时钟，这样，时钟周期就是振荡周期的两倍。） CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个步骤： (1) 取指令(IF)：根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时，PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入PC，当然得到的“地址”需要做些变换才送入PC。 (2) 指令译码(ID)：对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。 (3) 指令执行(EXE)：根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作，然后转移到结果写回状态。 (4) 存储器访问(MEM)：所有需要访问存储器的操作都将在这个步骤中执行，该步骤给出存储器的数据地址，把