单周期CPU设计与实现：实验指南

"该实验是关于单周期CPU的设计与实现，旨在让学生掌握单周期CPU的数据通路设计、实现方法以及指令系统。实验要求学生设计一个能够执行特定算术、逻辑和移位操作指令的单周期CPU。" 在计算机组成原理的实验中，实验三聚焦于单周期CPU的设计与实现。这个实验的目标是让学习者熟悉并掌握以下几个核心知识点： 1. **单周期CPU数据通路设计**：单周期CPU是指在一个时钟周期内完成一条指令处理的CPU结构。数据通路是CPU内部信号传递的路径，包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器、控制单元等组件。设计时要考虑如何高效地在这些组件之间传输数据和控制信号。 2. **指令系统**：实验要求实现的指令集包括算术运算指令、逻辑运算指令和移位指令。这些指令是计算机执行基本操作的基础，如加法、减法、按位与、按位或、左移等。 - **算术运算指令**： - `add` 指令用于将两个寄存器中的值相加，并将结果存储到另一个寄存器。 - `sub` 指令执行减法操作。 - `addiu` 指令是立即数加法，其中一个操作数是立即数，需要进行符号扩展。 - **逻辑运算指令**： - `andi` 指令执行按位与操作，其中立即数被零扩展后参与运算。 - `and` 指令用于两个寄存器间的按位与操作。 - `ori` 指令执行按位或操作，立即数被零扩展后参与运算。 - `or` 指令执行两个寄存器间的按位或操作。 - **移位指令**： - `sll` 指令执行左移操作，一个寄存器中的值向左移动指定的位数。 3. **实现方法与代码**：实验要求用代码实现单周期CPU，这通常涉及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来描述CPU的逻辑功能。实现过程中，需要考虑如何正确解析指令、提取操作数、执行操作并更新寄存器状态。 4. **指令与CPU的关系**：理解指令如何被CPU解码、执行以及其对CPU性能的影响是非常重要的。每个指令都有其特定的操作码和操作数格式，CPU通过识别这些格式来执行相应的操作。 5. **测试单周期CPU**：设计完成后，需要编写测试程序来验证CPU是否正确实现了指定的指令集。这可能涉及生成各种测试用例，包括边界条件和异常情况，以确保CPU的正确性和鲁棒性。 通过这个实验，学生不仅会学习到硬件设计的基本概念，还能深入理解计算机指令系统的工作原理，为后续的计算机体系结构和嵌入式系统课程打下坚实基础。