电子科技大学单周期CPU设计实验指导

"电子科技大学的《单周期CPU的设计与实现》实验指导书，由张建编写，旨在通过设计和实现单周期CPU，帮助学生深入理解计算机组成原理，加强硬件设计技能。实验涵盖从CPU的各个组件如选择器、触发器、运算器、寄存器堆到控制器的设计，以及测试和验证过程。实验要求学生具备《数字逻辑》和《Verilog HDL硬件描述语言》的基础知识。" 在计算机科学领域，CPU（中央处理器）是计算机的核心部件，负责执行指令和控制计算过程。单周期CPU是一种简化版的CPU设计，它在一个时钟周期内完成所有操作，包括取指令、解码、执行和写回结果。这种设计简化了CPU结构，便于教学和理解。 实验内容主要包括以下几个方面： 1. **实验原理**：讲解单周期CPU的基本概念，其总体电路结构，以及MIPS指令格式。MIPS是一种广泛用于教学和研究的精简指令集架构（RISC）。 2. **数据路径设计**：详细讨论如何设计数据路径，包括下一条指令地址的选择、ALU（算术逻辑单元）的输入、寄存器堆的输入等关键部分。 3. **基本功能部件的设计与实现**：这部分涵盖了多个硬件组件的设计，如不同宽度的选择器、触发器、移位器和加/减法器。这些组件是CPU执行操作的基础。 4. **运算器（ALU）的设计与实现**：ALU是CPU的心脏，执行算术和逻辑运算。学生需要设计一个32位的ALU，能够处理各种基本操作。 5. **寄存器堆（RegisterFile）的设计与实现**：寄存器堆存储数据和指令指针，是CPU内部数据交换的关键。 6. **控制器（Control Unit）的设计与实现**：控制器根据指令生成控制信号，指导整个CPU的操作流程。 7. **CPU的封装**：将所有组件整合成一个完整的CPU实体。 8. **测试**：通过指令存储器和数据存储器的测试程序，以及仿真和硬件验证，确保CPU设计的正确性。 实验的先修条件是掌握数字逻辑和Verilog HDL，这为理解和设计数字电路提供了基础。通过这个实验，学生不仅能深化对计算机硬件的理解，还能锻炼硬件描述语言的编程技能，为后续的计算机系统实验打下坚实基础。