单周期CPU设计
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1个时钟周期 Clock 电子科技大学计算机科学与工程学院标 准 实 验 报 告(实验)课程名称: 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学 实 验 报 告学生姓名: 郫县尼克杨 学 号: 2014 指导教师:陈虹 实验地点: 主楼A2-411 实验时间:12周-15周一、 实验室名称:主楼A2-411二、 实验项目名称:单周期CPU 的设计与实现。
三、 实验学时:8学时四、 实验原理:(一) 概述单周期(Single Cycle )CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。
一条指令的执行过程包括:取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。
对于单周期CPU 来说,这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。
(二) 单周期cpu 总体电路本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。
(三) MIPS 指令格式化MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。
本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。
以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。
MIPS 的指令格式为32位。
下图给出MIPS 指令的3种格式。
本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。
下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。
五、 实验目的1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法,如控制器、运算器等。
?2、认识和掌握指令与CPU 的关系、指令的执行过程。
?3、熟练使用硬件描述语言Verilog 、EDA 工具软件进行软件设计与仿真,以培养学生的分析和设计CPU 的能力。
六、 实验内容(一)拟定本实验的指令系统,指令应包含R 型指令、I 型指令和J 型指令,指令数为9条。
(二)CPU 各功能模块的设计与实现。
(三)对设计的各个模块的仿真测试。
(四)整个CPU 的封装与测试。
七、 实验器材(设备、元器件):(一)安装了Xilinx ISE Design Suite 13.4的PC 机一台(二)FPGA 开发板:Anvyl Spartan6/XC6SLX45(三)计算机与FPGA 开发板通过JTAG (Joint Test Action Group )接口连接,其连接方式如图所示。
单周期CPU设计实验报告一、引言计算机是现代信息社会必不可少的工具,而CPU作为计算机的核心部件,承担着执行指令、进行运算和控制系统资源的任务。
随着科技的进步和计算能力的需求,CPU的设计也趋于复杂和高效。
本次实验旨在设计一种单周期CPU,探究其设计原理和实现过程,并通过实验验证其正确性和性能。
二、理论基础1.单周期CPU概述单周期CPU即每个时钟周期内只完成一条指令的处理,它包括指令取址阶段(IF)、指令译码阶段(ID)、执行阶段(EX)、访存阶段(MEM)和写回阶段(WB)等多个阶段。
每条指令都顺序地在这些阶段中执行,而不同的指令所需的时钟周期可能不同。
2.控制信号单周期CPU需要根据不同的指令类型产生不同的控制信号来控制各个阶段的工作。
常见的控制信号包括时钟信号(clk)、使能信号(En)、写使能信号(WE)和数据选择信号(MUX)等。
这些信号的产生需要通过译码器、控制逻辑电路和时序逻辑电路等来实现。
三、实验设计本次实验采用的单周期CPU包括以下五个阶段:指令取址阶段、指令译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。
每个阶段的具体操作如下:1.指令取址阶段(IF)在IF阶段,通过计数器实现程序计数器(PC)的自增功能,并从存储器中读取指令存储地址所对应的指令码。
同时,设置PC使能信号,使其可以更新到下一个地址。
2.指令译码阶段(ID)在ID阶段,对从存储器中读取的指令码进行解码,确定指令的操作类型和操作数。
同时,根据操作类型产生相应的控制信号,如使能信号、写使能信号和数据选择信号等。
3.执行阶段(EX)在EX阶段,根据ID阶段产生的控制信号和操作数,进行相应的算术逻辑运算。
这里可以包括加法器、乘法器、逻辑运算器等。
4.访存阶段(MEM)在MEM阶段,根据EX阶段的结果,进行数据存储器的读写操作。
同时,将读取的数据传递给下一个阶段。
5.写回阶段(WB)在WB阶段,根据MEM阶段的结果,将数据传递给寄存器文件,并将其写入指定的寄存器。
单周期CPU设计总结单周期CPU⼀、设计思路1、CPU的意义CPU是计算机的核⼼,因为它是计算机指令的处理单元。
计算机体系结构包含两个⽅⾯,⼀个⽅⾯是指令集,⼀个⽅⾯是硬件实现。
指令集是计算机被定义拥有的执⾏指令,计算机通过⽀持指令集的运⾏,来完成计算⼯作并为程序员编程服务。
硬件实现则是具体的硬件去实现指令集,这个硬件实现的核⼼就是CPU的设计。
这⾥写的CPU的设计是32位机器的CPU,指令和数据均为32位。
⽀持指令为简化mips指令集。
2、CPU的设计CPU的设计包含数据通路的设计和控制器的设计。
数据通路是执⾏指令必须的硬件(ALU、IM、DM、GRF等),控制器则是根据指令产⽣相应控制信号,来控制相应硬件以⽀持多条指令。
数据通路设计CPU的功能是⽀持指令集,因此硬件设计是为了执⾏指令。
设计CPU的结构的⽅法:先选择⼀条需要经过最多硬件的指令,来为它构建数据通路。
再依据其他指令在已有数据通路上添加硬件或线路,直到数据通路⽀持所有指令。
控制器设计在已有的数据通路基础上,针对每⼀条指令,列出其所需要的控制信号,每⼀组控制信号对应⼀种指令的全部执⾏。
将指令相应字段和部分计算结果作为控制器的输⼊,控制信号作为输出,依据上述映射关系(真值表)设计控制器。
⼆、实际操作0、设计说明CPU架构的设计是没有很多约束的,基本要求就是能够⽀持指令集,基于不同的考量可以有不同的设计。
举例来说:对于beq指令是否跳转的判断,可以借⽤ALU的减法计算,也可以直接增设CMP⽐较器得出,两种⽅式都可以,因为功能正确。
为了提⾼吞吐量,或者为了节省成本,会选择⼀些特别的设计,这⼀点在流⽔线CPU 的设计上可以明显地看出。
CPU具体设计的⽅法是我下⾯进⾏的⼏步:列出所需指令,写出功能模块,连接模块,构造控制器,全部连接起来。
这些表格对最终代码实现⼗分重要,因为代码量较⼤,先从表格检查起,再依据表格写码可以减少bug。
1、⽀持指令列出⽀持指令并将其分类:str ld cal_r cal_i lui b_type j jr jal jalr shamtsw lw addu ori beq sllsubu slti sraslt addiu srlsllvsravsrlv2、功能模块先按照lw指令列出所需功能模块(lw经过模块最多),再依次检查现有模块是否⽀持其余指令,若不能⽀持,则添加相应模块。
MIPS单周期CPU实验报告一、实验目的本实验旨在设计一个基于MIPS指令集架构的单周期CPU,具体包括CPU的指令集设计、流水线的划分与控制信号设计等。
通过本实验,可以深入理解计算机组成原理中的CPU设计原理,加深对计算机体系结构的理解。
二、实验原理MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)是一种精简指令集(RISC)架构的处理器设计,大大简化了指令系统的复杂性,有利于提高执行效率。
MIPS指令集由R、I、J三种格式的指令组成,主要包括算术逻辑运算指令、存储器访问指令、分支跳转指令等。
在单周期CPU设计中,每个指令的执行时间相同,每个时钟周期只执行一个指令。
单周期CPU的主要部件包括指令内存(IM)、数据存储器(DM)、寄存器文件(RF)、运算单元(ALU)、控制器等。
指令执行过程主要分为取指、译码、执行、访存、写回等阶段。
三、实验步骤1.设计CPU指令集:根据MIPS指令集的格式和功能,设计符合需求的指令集,包括算术逻辑运算指令、存储器访问指令、分支跳转指令等。
2.划分CPU流水线:将CPU的执行过程划分为取指、译码、执行、访存、写回等阶段,确定每个阶段的功能和控制信号。
3.设计控制器:根据CPU的流水线划分和指令集设计,设计控制器实现各个阶段的控制信号生成和时序控制。
4.集成测试:进行集成测试,验证CPU的指令执行功能和正确性,调试并优化设计。
5.性能评估:通过性能评估指标,如CPI(平均时钟周期数)、吞吐量等,评估CPU的性能优劣,进一步优化设计。
四、实验结果在实验中,成功设计了一个基于MIPS指令集架构的单周期CPU。
通过集成测试,验证了CPU的指令执行功能和正确性,实现了取指、译码、执行、访存、写回等阶段的正常工作。
同时,通过性能评估指标的测量,得到了CPU的性能参数,如CPI、吞吐量等。
通过性能评估,发现了CPU的性能瓶颈,并进行了相应的优化,提高了CPU的性能表现。
单周期cpu课程设计一、课程目标知识目标:1. 学生能理解单周期CPU的工作原理,掌握其内部结构及功能。
2. 学生能描述单周期CPU的指令执行过程,包括取指、译码、执行、访存、写回等阶段。
3. 学生能解释单周期CPU中时钟、指令和数据的关系,并分析其性能特点。
技能目标:1. 学生能运用所学知识,设计并实现一个简单的单周期CPU。
2. 学生能运用仿真软件对单周期CPU进行功能仿真,验证其正确性。
3. 学生能通过课程学习,培养自己的逻辑思维和问题解决能力。
情感态度价值观目标:1. 学生能对计算机硬件及CPU产生兴趣,激发学习热情。
2. 学生能认识到CPU在计算机系统中的核心地位,增强对计算机科学的尊重和热爱。
3. 学生能在团队协作中发挥积极作用,培养合作精神和沟通能力。
课程性质:本课程为计算机科学与技术专业核心课程,旨在让学生了解CPU的基本原理,掌握单周期CPU的设计方法。
学生特点:学生已经具备一定的数字逻辑电路基础,具有一定的编程能力和逻辑思维能力。
教学要求:结合学生特点,注重理论与实践相结合,引导学生通过课程学习,达到课程目标所规定的知识、技能和情感态度价值观要求。
在教学过程中,关注学生的个体差异,鼓励学生积极参与,培养其独立思考和解决问题的能力。
通过课程目标的分解,确保教学设计和评估的针对性和有效性。
二、教学内容1. 单周期CPU概述:介绍CPU的发展历程,单周期CPU的概念及其在计算机系统中的作用。
教材章节:第1章 计算机系统概述2. 单周期CPU内部结构:讲解CPU的内部组成部分,包括控制单元、算术逻辑单元(ALU)、寄存器组、程序计数器等。
教材章节:第2章 CPU内部结构3. 指令集与指令执行过程:分析指令集的设计,讲解单周期CPU指令执行过程中各阶段的任务和实现方法。
教材章节:第3章 指令集与指令执行4. 时序控制与性能分析:探讨时钟、指令和数据的关系,分析单周期CPU的性能特点。
教材章节:第4章 时序控制与性能分析5. 单周期CPU设计方法:介绍设计单周期CPU的步骤,包括电路设计、指令集设计、时序控制等。
《计算机组成原理实验》实验报告(实验三)学院名称:数据科学与计算机学院专业(班级):学生姓名:学号:时间:2019 年11 月8 日成绩:实验三:单周期CPU设计与实现一.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。
二.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。
指令与格式如下:==> 算术运算指令加“加”运算。
加“加”运算。
==> 逻辑运算指令加“与”运算。
功能:GPR[rt] ←GPR[rs] or zero_extend(immediate)。
==>移位指令==>比较指令==> 存储器读/写指令==> 分支指令else pc ←pc + 4特别说明:offset是从PC+4地址开始和转移到的指令之间指令条数。
offset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offset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”。
else pc ←pc + 4(16)bltz rs, offsetelse pc ←pc + 4。
==>跳转指令(17)j addr说明:由于MIPS32的指令代码长度占4个字节,所以指令地址二进制数最低2位均为0,将指令地址放进指令代码中时,可省掉!这样,除了最高6位操作码外,还有26位可用于存放地址,事实上,可存放28位地址,剩下最高4位由pc+4最高4位拼接上。
==> 停机指令功能:停机;不改变PC的值,PC保持不变。
三.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。
mips单周期cpu课程设计一、课程目标知识目标:1. 掌握MIPS单周期CPU的基本结构和工作原理;2. 了解指令集、指令执行过程和指令周期;3. 学会分析并设计简单的MIPS指令;4. 理解CPU性能指标,如时钟频率、吞吐率等。
技能目标:1. 能够运用硬件描述语言(如Verilog)进行单周期CPU的设计与仿真;2. 能够独立编写简单的MIPS汇编程序,并在单周期CPU上运行;3. 能够分析单周期CPU的性能,并进行优化;4. 培养学生的团队合作能力和问题解决能力。
情感态度价值观目标:1. 培养学生对计算机组成原理和硬件设计的兴趣,激发学生的创新意识;2. 增强学生的工程素养,使其认识到工程实践在计算机科学领域的重要性;3. 培养学生严谨、细致、负责任的科学态度,提高学生的自主学习能力。
本课程针对高中年级学生,课程性质为实践性较强的硬件课程。
结合学生特点,课程目标注重理论与实践相结合,通过设计单周期CPU,使学生深入理解计算机硬件原理,提高实践能力。
在教学要求上,注重培养学生的团队合作精神,提高学生分析和解决问题的能力,为后续计算机组成原理及相关课程打下坚实基础。
通过本课程的学习,学生将能够独立完成单周期CPU的设计与仿真,具备一定的硬件编程能力。
二、教学内容1. 引言:介绍CPU在计算机系统中的作用,引出MIPS单周期CPU的概念及其重要性。
相关教材章节:第一章 计算机系统概述2. MIPS单周期CPU基本结构:讲解CPU的基本组成部分,包括寄存器组、控制单元、算术逻辑单元(ALU)、数据通路等。
相关教材章节:第二章 计算机组成原理3. 指令集与指令执行:分析MIPS指令集特点,讲解指令执行过程和指令周期。
相关教材章节:第三章 指令系统4. 硬件描述语言与单周期CPU设计:介绍Verilog硬件描述语言,通过实例讲解如何使用Verilog设计单周期CPU。
相关教材章节:第四章 硬件描述语言与数字电路设计5. 单周期CPU仿真与优化:指导学生进行单周期CPU的仿真,分析性能瓶颈,探讨优化方案。