中山大学计算机组成原理实验：单周期CPU设计与实现

"中山大学计算机组成原理实验，单周期CPU设计，包括实验目的、实验内容，涉及算术和逻辑运算指令的实现" 在中山大学的计算机组成原理实验中，学生被要求设计并实现一个单周期CPU。这个实验的核心目标在于让学生深入理解单周期CPU的数据通路结构、工作原理以及设计和实现的方法。实验内容涵盖了一系列基本的指令集，这些指令包括算术运算和逻辑运算，旨在让学生了解指令与CPU之间的关系，并掌握测试CPU性能的方法。 实验的目的主要有四点： 1. 掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法。数据通路是CPU内部信号传输的路径，包括寄存器、ALU（算术逻辑单元）、控制逻辑等部件，单周期CPU意味着所有操作都在一个时钟周期内完成。 2. 学会单周期CPU的实现方法，包括硬件电路设计和代码实现。这涉及到数字逻辑和微程序设计的知识，通过硬件描述语言如Verilog或VHDL来实现。 3. 认识和掌握指令与CPU的关系。CPU执行的每一条指令都需要经过取指、译码、执行和写回等步骤，这些指令在CPU中的处理流程是实验的重点。 4. 掌握测试单周期CPU的方法，确保设计的CPU能够正确执行给定的指令集。 实验内容具体包括以下几种指令的实现： - 算术运算指令： - add：将两个通用寄存器（rs和rt）的值相加，结果存储到另一个寄存器（rd）中。 - sub：执行减法操作，类似于add但进行减法运算。 - addiu：立即数加法，将rs和扩展后的16位立即数相加，结果存入rt。 - addi：类似addiu，但立即数是带符号扩展的。 - 逻辑运算指令： - andi：按位与操作，rs与零扩展后的立即数进行与运算，结果存入rt。 - and：两个通用寄存器进行按位与操作，结果存入rd。 - ori：按位或操作，rs与零扩展后的立即数进行或运算，结果存入rt。 这些指令的实现需要考虑alu的设计，如何处理不同类型的运算，以及如何正确地读取和更新寄存器状态。此外，还需要处理数据和控制信号的同步，确保每个时钟周期内所有操作都能正确完成。 通过这样的实验，学生不仅可以学习到计算机硬件的基础知识，还能提升问题解决和实践操作的能力，为将来深入研究计算机系统打下坚实的基础。