中山大学单周期CPU设计实验报告

本篇文档是中山大学计算机组成原理实验中关于单周期CPU设计的详细实验报告。实验旨在通过实践让学生深入理解单周期CPU的工作原理，包括数据通路的构成和设计方法，以及如何实现指令集操作。主要内容涉及以下几个方面： 1. 实验目的： - 掌握单周期CPU的基本构成，包括了解数据通路图的设计原则和设计过程。 - 学习如何实现单周期CPU，包括代码层面的实现策略和步骤。 - 理解指令与CPU之间的关系，特别是针对算术和逻辑运算指令的执行机制。 - 掌握测试单周期CPU的有效方法，确保其正确性和性能。 2. 实验内容： - 算术运算指令： - add: 加法指令，如 GPR[rd] = GPR[rs] + GPR[rt]，其中rs、rt和rd是寄存器地址，用于存放操作数。 - sub: 减法指令，GPR[rd] = GPR[rs] - GPR[rt]，遵循类似的格式。 - addiu 和 addi: 分别处理带有立即数的加法，addiu 是无符号扩展，addi 是符号扩展。 - 逻辑运算指令： - andi: 逻辑与零扩展指令，GPR[rt] = GPR[rs] & immediate。 - and: 两个寄存器之间的逻辑与操作，GPR[rd] = GPR[rs] & GPR[rt]。 - ori: 逻辑或立即数指令，GPR[rt] = GPR[rs] | immediate。 在整个实验过程中，学生需要设计并实现一个基本的CPU架构，包括控制单元、算术逻辑单元（ALU）、存储器接口和状态机等组件，能够处理上述指定的指令集。此外，还包括了指令预取、指令译码、数据通路的时序分析以及误差检查等关键步骤。 完成这个实验有助于学生巩固计算机组成原理的核心概念，提升硬件设计和程序执行的理解，并锻炼他们动手能力和系统级编程能力。同时，对于后续学习其他高级计算机体系结构，如多周期CPU、超标量CPU等也会有直接的帮助。