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报告，主要涵盖了单周期CPU的设计与实现，包括实验目的、实验内容以及特定的指令集，如算术和逻辑运算指令的详细描述。" 在计算机科学领域，计算机组成原理是理解计算机硬件系统工作原理的基础。本实验主要关注的是单周期CPU的设计，这是一种简化版的处理器结构，它在一个时钟周期内完成一条指令的全部处理步骤，包括取指、译码、执行和存结果等。 实验的目的在于： 1. **掌握单周期CPU的数据通路设计**：理解CPU内部数据流的路径和处理过程，包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器、控制信号生成等组件的相互作用。 2. **了解CPU实现方式**：学习如何通过硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来编写代码实现CPU的功能。 3. **理解指令与CPU的关系**：认识到指令集是CPU操作的基础，每条指令对应着特定的硬件操作。 4. **掌握测试CPU的方法**：学习如何验证CPU设计的正确性，这通常涉及到输入测试数据并观察预期输出。 实验内容涉及设计一个能执行特定指令的单周期CPU，包括： 1. **addrd, rs, rt**：实现加法操作，将寄存器GPR[rs]和GPR[rt]的值相加，结果存储在GPR[rd]中。 2. **subrd, rs, rt**：执行减法操作，GPR[rs]减去GPR[rt]，结果存入GPR[rd]。 3. **addiurt, rs, immediate**：加立即数操作，GPR[rs]加上无符号扩展的16位立即数，结果存入GPR[rt]。 4. **addirt, rs, immediate**：与上类似，但立即数按有符号扩展后进行加法运算。 5. **andirt, rs, immediate**：逻辑与操作，GPR[rs]与无符号扩展的16位立即数进行逻辑与运算，结果存入GPR[rt]。 6. **andrd, rs, rt**：两个寄存器的逻辑与操作，GPR[rs]与GPR[rt]进行逻辑与，结果存入GPR[rd]。 7. **orirt, rs, immediate**：逻辑或操作，GPR[rs]与16位立即数按位或运算，结果存入GPR[rt]。 这些指令的实现需要设计相应的硬件电路，如ALU进行算术和逻辑运算，控制逻辑生成正确的控制信号，以及寄存器组来存储数据。实验者需要根据指令格式和功能，设计合理的数据通路并编写代码，最后通过仿真软件验证CPU设计的正确性和性能。 这个实验旨在提升学生对计算机底层硬件的理解，通过实际操作加深对计算机组成原理的理论知识的掌握。