《單周期CPU設(shè)計》實(shí)驗(yàn)報告

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1、計算機(jī)組成原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)《計算機(jī)組成原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)報告學(xué)院名稱：學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)（班級）：合作者：時間：2016年4月25日16/16計算機(jī)組成原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)成績:實(shí)驗(yàn)二：一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握單周期CPU數(shù)據(jù)通路圖的構(gòu)成、原理及其設(shè)計方法；2.掌握單周期CPU的實(shí)現(xiàn)方法，代碼實(shí)現(xiàn)方法；3.認(rèn)識和掌握指令與CPU的關(guān)系；4.掌握測試單周期CPU的方法。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計一個單周期CPU，該CPU至少能實(shí)現(xiàn)以下指令功能操作。需設(shè)計的指令與格式如下：==>算術(shù)運(yùn)算指令（1）addrd,rs,rt（說明：以助記符表示，是匯編指令；以代碼表示，是機(jī)器指令）00000

2、0rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs+rt。reserved為預(yù)留部分，即未用，一般填“0”。（2）addirt,rs,immediate000001rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs+(sign-extend)immediate；immediate符號擴(kuò)展再參加“加”運(yùn)算。（3）subrd,rs,rt000010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved完成功能：rd←rs-rt==>邏輯運(yùn)算指令（4）orirt,rs,immediate010000rs(5位)rt(5位)immediate(16

3、位)功能：rt←rs

4、(zero-extend)immediate；immediate做“0”擴(kuò)展再參加“或”運(yùn)算。（5）andrd,rs,rt010001rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs&rt；邏輯與運(yùn)算。（6）orrd,rs,rt010010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs

5、rt；邏輯或運(yùn)算。==>傳送指令（7）moverd,rs100000rs(5位)00000rd(5位)reserved功能：rd←rs+$0；$0=$zero=0。==>存儲器讀/寫指令（8）swrt,immediate(rs)寫

6、存儲器100110rs(5位)rt(5位)immediate(16位)16/16計算機(jī)組成原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)功能：memory[rs+(sign-extend)immediate]←rt；immediate符號擴(kuò)展再相加。（9)lwrt,immediate(rs)讀存儲器100111rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←memory[rs+(sign-extend)immediate]；immediate符號擴(kuò)展再相加。==>分支指令（10）beqrs,rt,immediate110000rs(5位)rt(5位)immediate(位移量，16位)功

7、能：if(rs=rt)pc←pc+4+(sign-extend)immediate<<2；特別說明：immediate是從PC+4地址開始和轉(zhuǎn)移到的指令之間指令條數(shù)。immediate符號擴(kuò)展之后左移2位再相加。為什么要左移2位？由于跳轉(zhuǎn)到的指令地址肯定是4的倍數(shù)（每條指令占4個字節(jié)），最低兩位是“00”，因此將immediate放進(jìn)指令碼中的時候，是右移了2位的，也就是以上說的“指令之間指令條數(shù)”。==>停機(jī)指令（11）halt11111100000000000000000000000000(26位)功能：停機(jī)；不改變PC的值，PC保持不變。一.實(shí)驗(yàn)原理單周期CPU指的是一

8、條指令的執(zhí)行在一個時鐘周期內(nèi)完成，然后開始下一條指令的執(zhí)行，即一條指令用一個時鐘周期完成。電平從低到高變化的瞬間稱為時鐘上升沿，兩個相鄰時鐘上升沿之間的時間間隔稱為一個時鐘周期。時鐘周期一般也稱振蕩周期（如果晶振的輸出沒有經(jīng)過分頻就直接作為CPU的工作時鐘，則時鐘周期就等于振蕩周期。若振蕩周期經(jīng)二分頻后形成時鐘脈沖信號作為CPU的工作時鐘，這樣，時鐘周期就是振蕩周期的兩倍。）CPU在處理指令時，一般需要經(jīng)過以下幾個步驟：(1)取指令(IF)：根據(jù)程序計數(shù)器PC中的指令地址，從存儲器中取出一條指令，同時，PC根據(jù)指令字長度自動遞增產(chǎn)生下一條指令所需要的指令地址，但遇到“地址轉(zhuǎn)移

9、”指令時，則控制器把“轉(zhuǎn)移地址”送入PC，當(dāng)然得到的“地址”需要做些變換才送入PC。(2)指令譯碼(ID)：對取指令操作中得到的指令進(jìn)行分析并譯碼，確定這條指令需要完成的操作，從而產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號，用于驅(qū)動執(zhí)行狀態(tài)中的各種操作。(3)指令執(zhí)行(EXE)：根據(jù)指令譯碼得到的操作控制信號，具體地執(zhí)行指令動作，然后轉(zhuǎn)移到結(jié)果寫回狀態(tài)。(4)存儲器訪問(MEM)：所有需要訪問存儲器的操作都將在這個步驟中執(zhí)行，該步驟給出存儲器的數(shù)據(jù)地址，把數(shù)據(jù)寫入到存儲器中數(shù)據(jù)地址所指定的存儲單元或者從存儲器中得到數(shù)據(jù)地址