中山大學計算機組成原理實驗 單周期CPU設計

《計算機組成原理實驗》實驗報告（實驗三）學院名稱專業(yè)（班級）學生姓名學號：：：：：數(shù)據(jù)科學與計算機學院時間2019年11月8日成績:實驗三：單周期CPU設計與實現(xiàn)一.實驗目的(1)掌握單周期CPU數(shù)據(jù)通路圖的構成、原理及其設計方法；(2)掌握單周期CPU的實現(xiàn)方法，代碼實現(xiàn)方法；(3)認識和掌握指令與CPU的關系；(4)掌握測試單周期CPU的方法。二.實驗內(nèi)容設計一個單周期CPU，該CPU至少能實現(xiàn)以下指令功能操作。指令與格式如下：==>算術運算指令（1）addrd,rs,rt000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)00000100000功能：GPR[rd]←GPR[rs]+GPR[rt]。（2）subrd,rs,rt000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)00000100010功能：GPR[rd]←GPR[rs]-GPR[rt]。（3）addiurt,rs,immediate001001rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：GPR[rt]←GPR[rs]+zero_extend(immediate)；immediate做符號擴展再參加“加”運算。（4）addirt,rs,immediate001111rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：GPR[rt]←GPR[rs]+sign_extend(immediate)；immediate做符號擴展再參加“加”運算。==>邏輯運算指令（5）andirt,rs,immediate001100rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：GPR[rt]←GPR[rs]andzero_extend(immediate)；immediate做0擴展再參加“與”運算。（6）andrd,rs,rt000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)00000100100功能：GPR[rd]←GPR[rs]andGPR[rt]。（7）orirt,rs,immediate001101rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：GPR[rt]←GPR[rs]orzero_extend(immediate)。（8）orrd,rs,rt000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)00000100101功能：GPR[rd]←GPR[rs]orGPR[rt]。==>移位指令（9）sllrd,rt,sa00000000000rt(5位)rd(5位)sa(5位)000000功能：GPR[rd]←GPR[rt]<<sa。==>比較指令（10）sltirt,rs,immediate帶符號數(shù)001010rs(5位)rt(5位)immediate(16位)功能：ifGPR[rs]<sign_extend(immediate)GPR[rt]=1elseGPR[rt]=0。（11）sltrd,rs,rt000000rs(5位)rt(5位)rd(5位)00000110000==>存儲器讀/寫指令（12）swrt,offset(rs)寫存儲器101011rs(5位)rt(5位)offset(16位)功能：memory[GPR[base]+sign_extend(offset)]←GPR[rt]。（13)lwrt,offset(rs)讀存儲器100011rs(5位)rt(5位)offset(16位)功能：GPR[rt]←memory[GPR[base]+sign_extend(offset)]。==>分支指令（14）beqrs,rt,offset000100rs(5位)rt(5位)offset(16位)功能：if(GPR[rs]=GPR[rt])pc←pc+4+sign_extend(offset)<<2elsepc←pc+4特別說明：offset是從PC+4地址開始和轉移到的指令之間指令條數(shù)。offset符號擴展之后左移2位再相加。為什么要左移2位？由于跳轉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offset放進指令碼中的時候，是右移了2位的，也就是以上說的“指令之間指令條數(shù)”。（15）bners,rt,offset000101rs(5位)rt(5位)offset(16位)功能：if(GPR[rs]!=GPR[rt])pc←pc+4+sign_extend(offset)<<2elsepc←pc+4（16）bltzrs,offset000001rs(5位)00000offset(16位)功能：if(GPR[rs]<0)pc←pc+4+sign_extend(offset)<<2elsepc←pc+4。==>跳轉指令（17）jaddr000010addr(26位)功能：PC←{PC[31:28],addr,2’b0}，無條件跳轉。說明：由于MIPS32的指令代碼長度占4個字節(jié)，所以指令地址二進制數(shù)最低2位均為0，將指令地址放進指令代碼中時，可省掉！這樣，除了最高6位操作碼外，