中山大学单周期CPU设计实验报告

"中山大学计算机组成原理实验报告，主要涵盖了单周期CPU的设计与实现，包括算术和逻辑运算指令的处理。" 在计算机科学中，单周期CPU是一种基本的处理器设计，它在一个时钟周期内完成一条指令的全部操作，包括取指、译码、执行和写回等步骤。这个实验的目的是让学生深入理解单周期CPU的工作原理，掌握其数据通路设计，以及如何通过编程实现这些功能。 实验内容主要涉及以下几点： 1. **数据通路设计**：单周期CPU的数据通路通常包含ALU（算术逻辑单元）、寄存器堆、控制单元、数据存储器等组件。ALU执行算术和逻辑运算，寄存器堆用于临时存储数据，控制单元生成并分配控制信号，而数据存储器则用于存储程序和数据。 2. **指令集**：实验要求设计的CPU至少支持六种基本指令，包括加法（addrd, subrd）、带立即数的加法（addiurt, addirt）、逻辑与（andirt, andrd）和或（orirt）。每条指令都有特定的格式，如地址字段（rs, rt, rd）和立即数字段（immediate），这些字段用于指定操作数和操作结果的寄存器。 3. **指令执行**： - **addrd** 和 **subrd** 指令用于进行两个寄存器间的加法和减法运算，结果存入第三个寄存器。 - **addiurt** 和 **addirt** 指令是加法的变体，它们接受一个立即数并将其扩展为与寄存器同样宽度的值，然后与寄存器中的值相加，扩展方式根据立即数的符号进行。 - **andirt** 和 **andrd** 用于执行逻辑与操作，与立即数或另一个寄存器中的值进行。 - **orirt** 类似地执行逻辑或操作。 4. **实现方法**：实验中需要实现这些指令的硬件逻辑和控制逻辑，这可能涉及到组合逻辑和时序逻辑的设计。同时，还需要编写代码来模拟CPU的行为，这通常使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）完成。 5. **测试方法**：设计完成后，需要编写测试用例，通过输入不同的指令和数据，检查CPU是否能正确执行预期的运算，并将结果写回到正确的寄存器中。 通过这个实验，学生不仅能够了解单周期CPU的基本构造，还能实际动手构建一个简单的处理器，从而对计算机底层工作原理有更直观的认识。这将对理解计算机系统的整体运作，以及未来在系统设计、编译器优化等领域的工作都具有重要的基础作用。