中大2016计组单周期CPU实验报告报告.doc

计算机组成原理与接口技术实验

《计算机组成原理与接口技术实验》
实验报告

学院名称：数据科学与计算机学院学生姓名：刘恩硕学号：14332014专业（班级）：14软件工程五（国）班合作者：罗宇森时间：2016年4月25日
成绩:实验二：单周期CPU设计
实验目的
(1)掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法；
(2)掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法；
(3)认识和掌握指令与CPU的关系；
(4)掌握测试单周期CPU的方法。
实验内容
设计一个单周期CPU，该CPU至少能实现以下指令功能操作。需设计的指令与格式如下：
==>算术运算指令
（1）addrd,rs,rt（说明：以助记符表示，是汇编指令；以代码表示，是机器指令）
000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs+rt。reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。
（2）addirt,rs,immediate
000001rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs+(sign-extend)immediate；immediate符号扩展再参加“加”运算。
（3）subrd,rs,rt
000010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved完成功能：rd←rs-rt
==>逻辑运算指令
（4）orirt,rs,immediate
010000rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←rs|(zero-extend)immediate；immediate做“0”扩展再参加“或”运算。
（5）andrd,rs,rt
010001rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs&rt；逻辑与运算。
（6）orrd,rs,rt
010010rs(5位)rt(5位)rd(5位)reserved功能：rd←rs|rt；逻辑或运算。
==>传送指令
（7）moverd,rs
100000rs(5位)00000rd(5位)reserved功能：rd←rs+$0；$0=$zero=0。
==>存储器读/写指令
（8）swrt,immediate(rs)写存储器
100110rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：memory[rs+(sign-extend)immediate]←rt；immediate符号扩展再相加。
（9)lwrt,immediate(rs)读存储器
100111rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：rt←memory[rs+(sign-extend)immediate]；immediate符号扩展再相加。
==>分支指令
（10）beqrs,rt,immediate
110000rs(5位)rt(5位)immediate(位移量，16位)功能：if(rs=rt)pc←pc+4+(sign-extend)immediate<<2；
特别说明：immediate是从PC+4地址开始和转移到的指令之间指令条数。immediate符号扩展之后左移2位再相加。为什么要左移2位？由于跳转到的指令地址肯定是4的倍数（每条指令占4个字节），最低两位是“00”，因此将immediate放进指令码中的时候，是右移了2位的，也就是以上说的“指令之间指令条数”。
==>停机指令
（11）halt
11111100000000000000000000000000(26位)功能：停机；不改变PC的值，PC保持不变。

实验原理
单周期CPU指的是一条指令的执行在一个时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个时钟周期完成。电平从低到高变化的瞬间称为时钟上升沿，两个相邻时钟上升沿之间的时间间隔称为一个时钟周期。时钟周期一般也称振荡周期（如果晶振的输出没有经过分频就直接作为CPU的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期。若振荡周期经二分频后形成时钟脉冲信号作为CPU的工作时钟，这样，时钟周期就是振荡周期的两倍。）
CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个步骤：
(1)取指令(IF)：根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时，PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入PC，当然得到的“地址”需要做些变换才送入PC。
(2)指令译码(ID)：对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。
(3)指令执行(EXE)：根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作，然后转移到结果写回状态。
(4)存储器访问(MEM)：所有需要访问存储器的