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，主要涉及单周期CPU的设计与实现，包括算术和逻辑运算指令的处理。" 在计算机科学领域，单周期CPU是一种简单的处理器设计，它在一个时钟周期内完成所有操作步骤。这个实验旨在让学生理解和掌握单周期CPU的基本构造、工作原理以及设计过程。实验的主要目标包括： 1. **理解数据通路设计**：单周期CPU的数据通路是其核心部分，包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器、控制逻辑和数据总线等组件。这些组件协同工作，确保指令的正确执行。数据通路的设计需要考虑如何高效地传递和处理数据，同时保证指令的流水线操作。 2. **实现单周期CPU**：实验要求设计一个能够执行特定指令集的单周期CPU。这些指令包括加法、减法、立即数加法、立即数加法（带符号扩展）、按位与、按位或等算术和逻辑运算。实现过程中，需要编写相应的微指令代码来控制CPU的操作。 3. **理解指令与CPU的关系**：每条指令都对应着CPU内部的一系列操作。例如，"addrd,rs,rt"指令表示将寄存器GPR[rs]和GPR[rt]的内容相加，结果存储到GPR[rd]中。理解这种映射关系是CPU设计的基础。 4. **测试与验证**：设计完成后，需要通过编写测试用例和运行程序来验证CPU的正确性。这涉及到设置输入数据，观察输出结果，并检查是否符合预期的指令行为。 实验内容涵盖了以下指令： - **算术运算指令**： - **addrd,rs,rt**：进行加法操作，GPR[rd] = GPR[rs] + GPR[rt]。 - **subrd,rs,rt**：进行减法操作，GPR[rd] = GPR[rs] - GPR[rt]。 - **addiurt,rs,immediate**：将立即数与GPR[rs]相加，GPR[rt] = GPR[rs] + zero_extend(immediate)。 - **addirt,rs,immediate**：将带符号的立即数与GPR[rs]相加，GPR[rt] = GPR[rs] + sign_extend(immediate)。 - **逻辑运算指令**： - **andirt,rs,immediate**：按位与操作，GPR[rt] = GPR[rs] & zero_extend(immediate)。 - **andrd,rs,rt**：两个寄存器的按位与操作，GPR[rd] = GPR[rs] & GPR[rt]。 - **orirt,rs,immediate**：按位或操作，GPR[rt] = GPR[rs] | immediate。 通过这个实验，学生不仅能深入理解计算机硬件的工作原理，还能锻炼编程和问题解决能力，为后续更复杂的多周期CPU设计打下坚实基础。