单周期处理器

实验5：单周期处理器的控制器设计实验一、实验目的1、理解随机访问存储器RAM和只读存储器ROM的操作原理。

2、理解指令类型与指令格式之间的关系，掌握取指部件、指令解析和立即数扩展器的设计方法。

3、理解每条目标指令的功能和数据通路，掌握单周期处理器的控制器设计方法。

二、实验环境Logisim-ITA V2.16.1.0。

三、实验内容1、利用Logisim中的RAM组件进行数据读写操作实验。

Logisim中RAM的地址位宽最多可设置为24位，数据位宽最多可设置为32位。

在属性窗口的数据接口中有三种不同的工作模式。

若设置为“分离的加载和存储引脚”模式，则有两个数据端口分别连接输入数据和输出数据（如图1所示）；否则，使用同一数据端口连接数据总线。

注意：当设置数据位宽为32位时，采用按字编址方式（32位），而不是采用按字节编址方式。

图1 采用分离加载和存储模式的32位数据读取实验图实验要求RAM组件的地址位宽设置为12位，数据接口模式设置为分离的加载和存储引脚模式。

实验过程与验证步骤如下：（1）设置数据位宽为32位，即可访问空间大小为16KB；连接必要的输入输出信号并选择合适的控制信号；从0地址处开始顺序写入以下两个32位的十六进制数据：0x4E4A5543、0x53657200；然后再读出所存储的数据。

（2）设置数据位宽为8位，即可访问空间大小为4KB；将输出数据端口连接到如图2所示的文本终端TTY；从0地址开始顺序写入以下八个字节的十六进制数据：4E4A554353657200；然后按字节为单位读出并输出到文本终端TTY，观察显示的内容。

图2 采用分离加载和存储模式的8位数据读取实验图（3）Logisim中RAM和ROM组件的数据输入还可以采用Logisim十六进制编辑器和直接读取二进制编码文件的方法实现。

把鼠标移到存储器组件上，点击鼠标右键，则弹出菜单框（如图3所示），选中“编辑存储内容”，则打开Logisim十六进制编辑器（如图4所示），可按照存储器设置的数据位宽，直接使用键盘输入数据；输入数据后，可点击保存按钮，把输入的数据保存到数据镜像文件(image)中。

计算机专业基础综合（中央处理器）模拟试卷4(题后含答案及解析) 题型有：1. 单项选择题 2. 综合应用题单项选择题1-40小题，每小题2分，共80分。

下列每题给出的四个选项中，只有一个选项是最符合题目要求的。

1．通常所说的32位微处理器是指( )。

A．地址总线的宽度为32位B．处理的数据长度只能为32位C．CPU字长为32位D．通用寄存器数目为32个正确答案：C解析：通常所说的32位微处理器是指CPU字长为32位。

将运算器和控制器合称为中央处理器(CPU)，在由超大规模集成电路构成的微型计算机中，往往将CPU制成一块芯片，称为微处理器。

CPU按照其处理信息的字长可以分为8位CPU、16位CPU、32位CPU、64位CPU等。

选项A、B、D均与微处理器的位数无关。

知识模块：中央处理器2．在微程序控制方式中，机器指令、微程序和微指令的关系是( )。

A．每一条机器指令由一条微指令来解释执行B．每一条机器指令由一段(或一个)微程序来解释执行C．一段机器指令组成的工作程序可由一条微指令来解释执行D．一条微指令由若干条机器指令组成正确答案：B解析：机器指令是由一段(或一个)微程序来解释执行的，一条微程序是由若干微指令构成的。

知识模块：中央处理器3．一个单周期处理器，各主要功能单元的操作时间为：指令存储器和数据存储器为0．3 ns，ALU为0．2 ns，寄存器文件为0．1 ns，则该CPU的时钟周期最少应该是( )。

A．0．4 nsB．0．3 nsC．0．2 nsD．1 ns正确答案：D解析：单周期处理器时钟周期取为“Load”指令的执行时间(最长)，它等于读指令存储器(取指)的时间、读寄存器堆(取形式地址)的时间、ALU(计算有效地址)的时间、读数据存储器(取操作数)的时间以及写寄存器堆(将操作数写入目的寄存器)的时间之和，为1 ns。

知识模块：中央处理器4．微程序存放在( )。

A．主存中B．堆栈中C．只读存储器中D．磁盘中正确答案：C解析：微程序存放在控制存储器中，是只读存储器。

类MIPS单周期微处理器设计实验报告专业：班级：学号：姓名：一、微处理器各模块设计各模块的框图结构如上图所示。

由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。

图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。

1.指令存储器的设计指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。

因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。

（1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。

（2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。

（3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。

最后单击Generate按钮生成IROM模块。

2.数据存储器的设计数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。

因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。

数据存储器基本建立过程同ROM的建立。

3.寄存器组设计寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。

在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能写入，因此该模块的输入为clk、RegWriteAddr、RegWriteData、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr、reset；输出信号为RsData、RtData。

由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData 必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。

另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。

并且每次复位时所有寄存器都清零。

代码如下：module regFile(input clk,input reset,input [31:0] regWriteData,input [4:0] regWriteAddr,input regWriteEn,output [31:0] RsData,output [31:0] RtData,input [4:0] RsAddr,input [4:0] RtAddr);reg[31:0] regs[0:31];assign RsData = (RsAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RsAddr];assign RtData = (RtAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RtAddr];integer i;always @(posedge clk)beginif(!reset)beginif(regWriteEn==1)beginregs[regWriteAddr]=regWriteData;endendelsebeginfor(i=0;i<31;i=i+1)regs[i]=0;regs[31]=32'hffffffff;endendendmodule4.ALU设计在这个简单的MIPS指令集中，微处理器支持add、sub、and、or、slt运算指令，需要利用ALU单元实现运算，同时数据存储指令sw、lw也需要ALU单元计算存储器地址，条件跳转指令beq需要ALU来比较两个寄存器是否相等。

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。

Logisim完成MIPS单周期处理器开发实验报告Project3Logisim完成单周期处理器开发实验报告⼀．总体设计⼆．模块定义（1）IFU（2）GPR（3）ALU（4）EXT（5）DM（6）Controller四．控制器设计单周期真值表Func100000100010N/AOp000000000000001101100011000100001111add sub ori lw sw beq lui RegDst1100X X0 ALUSrc0011101 MemtoReg0001X X X RegWrite1111002 MemWrite0000100 nPC_sel0000010 ExtOp X X000X1ALUctr Add Subtract Or Add Add Subtract X五．测试要求16.测试程序lui$t0,0x0004#lui测试程序要实现：⽴即数0x0004加载⾄t0寄存器的⾼位lui$t1,0x0008#lui测试程序要实现：⽴即数0x0008加载⾄t1寄存器的⾼位ori$t3,$zero,0x00002000#ori测试程序要实现：zero寄存器中的内容与⽴即数0x00002000进⾏或运算，储存在t3寄存器中sw$t0,4($t3)#sw测试程序要实现：把t0寄存器中值（1Word），存储到t3的值再加上偏移量4,所指向的RAM中sw$t0,8($t3)#sw测试程序要实现：把t0寄存器中值（1Word），存储到t3的值再加上偏移量8,所指向的RAM中loop:add$t2,$t2,$t1#add测试程序要实现：t1寄存器中的值加上t2寄存器中的值后存到t2寄存器中lw$t4,4($t3)#lw测试程序要实现：把t3寄存器的值+4当作地址读取存储器中的值存⼊t4 lui$t5,0x0004#lui测试程序要实现：⽴即数0x0004加载⾄t5寄存器的⾼位sub$t7,$t6,$t5#sub测试程序要实现：t6寄存器中的值减去t5寄存器中的值后存到t7寄存器中add$t0,$t0,$t5#sub测试程序要实现：t0寄存器中的值减去t5寄存器中的值后存到t0寄存器中add$t6,$t6,$t0#add 测试程序要实现：t6寄存器中的值加上t0后存到t6寄存器中beq$t0,$t1,loop#beq测试程序要实现：判断t0的值和t1的值是否相等，相等转loopadd$t0,$t0,$t5#add测试程序要实现：t0寄存器中的值加上t5后存到t0寄存器中lui$v0,0x0001#lui测试程序要实现：⽴即数0x0001加载⾄v0寄存器的⾼位lui$v1,0x0002#lui测试程序要实现：⽴即数0x0002加载⾄v1寄存器的⾼位add$v0,$v0,$v1#add测试程序要实现：v0寄存器中的值加上v1后存到v0寄存器中add$v1,$v0,$v1#add测试程序要实现：v0寄存器中的值加上v1后存到v1寄存器中ori$a0,$v0,0xffff#ori测试程序要实现：v0寄存器中的内容与⽴即数0xffff进⾏或运算，储存在a0寄存器中sub$a1,$a0,0x0000ffff#sub测试程序要实现：a0寄存器中的值减去⽴即数0x0000ffff后存到a1寄存器中loop2:sub$a2,$v1,$v0#sub测试程序要实现：v1寄存器中的值减去v0中的值后存到a2寄存器中add$a1,$a2,$a1#add测试程序要实现：a2寄存器中的值加上a1后存到a1寄存器中beq$a1,$v1,loop2#beq测试程序要实现：判断a1的值和v1的值是否相等，相等转loop2机器码：3c0800043c090008340b2000ad680004014950208d6c00043c0d000401cd7822010d402001c870201109fff9010d40203c0200013c03000200431020004318203444ffff3c010*******ffff008128220062302200c52820 10a3fffdMARS模拟结果：Logism：GPR:DM:六、问答18.对于Figure5、Figure6中的与或阵列来说，1个3输⼊与门最终转化为2个2输⼊与门，1个4输⼊与门最终转化为3个2输⼊与门，依次类推。

第一章32 位单周期RISC处理器设计要设计一款处理器，首先要选择体系结构,本题选择的是RISC体系结构，因为它适合于流水线设计。

然后需要选择一个标准的指令集，本题选择的MIPS指令集并按照常规的五段流水的方式来实现流水线。

流水线的实现过程将在第二章介绍。

1.1目标处理器指令集与指令格式本题目标CPU以能实现部分MIPS指令为目标，具体指令如下表1：（slti）无条件跳跳转（jL）J转空操作空操作（nop)表1 目标CPU指令集1.2 从指令具体行为反推设计方案CPU要执行一条指令，不外乎需要完成以下几个过程:取指令，指令译码,将译码出的指令放到算术逻辑运算部件ALU上执行运算，根据ALU算得的访存地址进行访存和将访存的结果写回寄存器等。

当然,不同的指令类型（R、I、J）可能经过的过程稍有不同，即它们的数据通路有所不同，以下将具体介绍:1、R格式指令数据通路:1)从指令寄存器Instr MEM中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来)；2．）寄存器单元rs1和rs2的内容从寄存器堆Reg File中读出;3．)ALU根据功能码Opcoder确定操作方式,对从寄存器堆读出的数据进行计算；4．）ALU运算结果被写入寄存器堆，由rd确定写入的寄存器堆存储单元地址。

图1 R指令数据通路2. I 指令（除lw、sw和分支指令）数据通路如图2：1．）从指令寄存器Instr Mem中取出指令,同时PC增值(即加1等待下个CLK到来)；2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆Reg File中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加；4．）ALU的运算结果被写入寄存器堆，由rt确定写入的寄存器堆存储单元地址。

图2 I 指令（除lw、sw和分支指令）数据通路3、Lw指令数据通路如图3:1．）从指令寄存器Instr Mem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来);2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆Reg File中读出;3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加;4．）将ALU的运算结果作为数据存贮器的地址读出相应单元的内容；5）把从数据存储单元取出的数据写入寄存器堆,由rt确定写入的寄存器存储单元地址。

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。

单周期MIPS处理器设计实验报告完成人：笪腾飞2012011263一、实验目的1、设计一个32位的单周期MIPS处理器，具备定时器、数码管等外设；2、编写一个编译器，可以将mips代码编译为二进制机器码；3、编写一个计算两个整数的最大公约数的汇编程序。

二、设计方案根据理论课所学的单周期MIPS处理器数据通路的知识，结合本次试验的具体要求，最终设计方案如下：1、系统时钟为了综合后能够在开发板上正确运行程序，我们决定采取50MHz的CPU时钟，因此编写了一个时钟分频模块，对开发板提供的100MHz时钟进行二分频，从而得到50MHz时钟。

2、PC产生模块原理图如下：如上图左半部分所示，多路选择器由一个always语句中的if…else if…else语句实现。

其中，将ALU中的加减法部分提取出来实现一个加法器，用于产生PC+4和ConBA两个PC来源。

将I型指令中的16位立即数左移两位后再符号位j m扩展成32位地址，与PC+4相加得到分支地址ConBA 。

将跳转指令中的26位目标地址左移两位后，与当前PC的高四位拼接得到跳转地址JT。

将第一个操作数寄存器中的值取出作为PC的一个输入，这是为了实现jr和jalr指令，从$Xp和$Ra寄存器中读取跳转地址。

ILLOP和XADR分别是发生中断和异常时的跳转地址。

下一指令地址的选择由PCSrc决定，而PCSrc是译码后由控制信号模块根据每条指令的操作码(opcode)和函数码(funct)产生。

3、译码模块原理图如上图右半部分所示，将PC作为ROM模块的地址输入，输出即为PC所对应的指令。

分别取出指令中的某些片段，得到$Rs，$Rt，$Rd，shamt，funct，16位立即数和26位跳转地址。

4、控制模块控制模块即控制信号产生模块，六位操作码OpCode，六位函数码[5:0] Funct，定时器中断信号irq和PC最高位PC31作为输入，输出为以下控制信号：(1) R型指令指示信号IsR，值为1表示当前指令为R型指令，否则非R型指令；(2) PC产生的选择信号[2:0] PCSrc，取值0,1,2,3,4及其它，分别选择下一指令不同的PC；(3) 目的寄存器选择信号[1:0]RegDst，被写入的寄存器有四种选择：$Rd,$Rt,$Ra,$Xp，分别由RegDst不同取值完成选择；(4) 写寄存器使能信号RegWr，值为1表示允许对寄存器进行写操作；(5) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将移位量shamt 进行0扩展后作为输入，值为0表示将$Rs寄存器中的值作为输入；(6) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1，值为1表示选择将扩展后的32位立即数作为输入，值为0表示将$Rt寄存器中的值作为输入;(7) ALU运算控制信号[5:0] ALUFunc，作为ALU的输入选择不同的运算操作；(8) 有无符号数指示信号Sign，值为1表示有符号数，值为0表示无符号数；(9) 写存储器使能信号MemWr，值为1表示允许对存储器进行写操作；(10) 读存储器使能信号MemRd，值为1表示允许对存储器进行读操作；(11) 写寄存器值的选择信号[1:0] MemToReg，选择ALU结果，存储器读取结果和PC+4其中之一作为写入目的寄存器的值；(12) 符号位扩展指示信号EXTOp，值为1表示对16位立即数进行符号位扩展，值为0表示0扩展；(13) 立即数高位取指令指示信号LUOp，值为1表示当前指令为lui指令，选择将立即数载入高16位低位填0的32位立即数作为ALU输入，值为0表示将正常扩展后的32位立即数作为ALU输入；控制信号的具体产生过程此处略去，在控制信号说明文件中进行详述。