CPU设计实验报告
CPU程序设计实验报告
【指令系统汇总】
指令名称助记符功能指令格式
【检测程序】
【实验心得】
我从这次的试验中收获良多，动手能力得到了大大的提升，以前总是光说不练，而这次从设计到烧芯片，再到调试，纠错都要由自己来完成，其中遇到许多了问题，解决它们使我受益颇多。
首先写再填代码表的时候，由于表格过密，一不小心就有填串的危险，即使我很注意这点，但还是犯了这个错误，填完后我又查了2遍才将错误全部改正，只是对耐心巨大的考验，我从中学到了踏实做事不要心急。
在调试的时候，我遇到了几个比较棘手的问题，当时死活解决不了，静下心后，我发现我填的表本身就是错的，然后我从新翻书改正了它，所当一条路走不通的时候，静下心来从另外一个角度尝试是一个很好的选择。
单周期CPU设计实验报告
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。
cpu的实验报告
cpu的实验报告CPU的实验报告引言：计算机是现代社会不可或缺的工具，而CPU（Central Processing Unit）则是计算机的核心部件之一。
CPU负责执行计算机指令，处理数据和控制计算机的各种操作。
本文将对CPU进行实验，并对实验结果进行分析和总结，以便更好地理解和掌握CPU的工作原理。
一、实验目的本次实验的目的是通过对CPU的实验，深入了解CPU的结构和工作原理，掌握CPU的运行过程和性能评估方法。
二、实验过程1. CPU的结构CPU主要由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责解析和执行指令，算术逻辑单元负责进行算术和逻辑运算。
实验中，我们对CPU的各个部件进行了详细的分析和研究。
2. CPU的指令执行过程CPU的指令执行过程包括取指、译码、执行和写回四个阶段。
在实验中，我们通过模拟CPU的指令执行过程，对每个阶段进行了详细的观察和记录，并分析了每个阶段的作用和影响因素。
3. CPU的性能评估为了评估CPU的性能，我们进行了一系列的实验。
通过改变CPU的主频、缓存大小和指令集等因素，观察CPU的运行速度和效率，并进行性能比较和分析。
实验结果表明，这些因素对CPU的性能有着重要的影响。
三、实验结果与分析1. CPU的结构分析通过对CPU的结构进行分析，我们发现控制单元和算术逻辑单元之间的协作非常重要。
控制单元负责解析和执行指令，而算术逻辑单元负责进行计算和逻辑运算。
两者之间的紧密配合使得CPU能够高效地运行。
2. 指令执行过程分析通过对CPU的指令执行过程进行分析，我们发现每个阶段都有其特定的作用。
取指阶段负责从内存中读取指令，译码阶段负责解析指令，执行阶段负责执行指令，写回阶段负责将结果写回内存。
每个阶段的效率和性能都对CPU的整体运行速度有着重要的影响。
3. 性能评估结果通过对CPU的性能评估实验，我们发现主频、缓存大小和指令集等因素对CPU 的性能有着重要的影响。
提高主频可以加快CPU的运行速度，增加缓存大小可以提高数据读取和存储的效率，而优化指令集可以提高CPU的指令执行效率。
十六位CPU实验设计报告
简单16位CPU设计一、实验内容完成从指令系统到CPU的设计，编写测试程序，通过运行测试程序对CPU 设计进行正确性评定。
具体内容包括：典型指令系统（包括运算类、转移类、访存类）设计；CPU结构设计；CPU的VHDL程序代码编写；规则文件与调试程序设计；CPU调试及测试程序运行。
二、实验目的及要求1．加深对计算机的基本概念、基本原理和基本结构的理解；2．掌握计算机组成与系统结构方面的基本设计、分析与实现方法；3．掌握典型16CPU设计方法；4．熟练掌握VHDL语言及应用，完成对CPU各功能模块的代码描述，实现各个功能模块部分的连接，从而形成一个完整的CPU体系结构；5．学会利用先进的硬件设计工具软件Quartus II对程序进行仿真和调试；6．掌握基于“TEC-CA试验教学系统”进行CPU调试的方法。
三、实验仪器设备（1）TEC-CA试验教学系统；（2）虚拟仪器平台；（3）计算机。
（4）实验环境四、实验方案设计（一）指令系统设计1、指令系统的作用和地位指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面。
指令系统是计算机系统结构的主要组成部分。
指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志。
指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁。
2、指令系统的设计规范设计的原则：支持编译系统能高效、简易地将源程序翻译成目标代码。
正交性：指令字段编码相互独立。
规整性：相似操作有相同的规定。
可扩充性：操作码冗余。
对称性：A-B=》A ；A-B=》B ，便于编译。
3、CPU 中操作数的存储方法CPU 中操作数的存储方法是各种指令集结构之间最主要的区别所在，其影响运算器的组织。
CPU 中用来存储操作数的存储单元主要有： （1）堆栈； （2）累加器； （3）一组寄存器；通用寄存器型指令集结构的主要优点： （1）使编译器有效地使用寄存器;（2）在表达式求值方面，比其它类型指令集结构，具有更大的灵活性; （3）寄存器可以用来存放变量；a.减少存储器的访问量，加快程序的执行速度。
MIPS单周期CPU实验报告
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。
cpu设计实验报告
cpu设计实验报告CPU设计实验报告1. 引言计算机是现代社会不可或缺的工具，而中央处理器（CPU）则是计算机的核心组件之一。
本实验旨在设计和实现一个简单的CPU，以加深对计算机组成原理的理解，并通过实践掌握CPU的基本工作原理。
2. CPU设计概述我们的CPU设计基于冯·诺依曼结构，包括指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、算术逻辑单元（ALU）和寄存器文件等关键组件。
CPU的指令集采用RISC（精简指令集计算机）风格，指令长度为32位。
3. 指令集设计我们设计了一套简单的指令集，包括算术运算指令（加法、减法、乘法、除法）、逻辑运算指令（与、或、非）以及数据传输指令（加载、存储）。
指令的格式包括操作码、源操作数和目标操作数。
4. 寄存器文件设计寄存器文件是CPU中用于存储数据的重要组件。
我们设计了一个包含8个通用寄存器的寄存器文件，每个寄存器的宽度为32位。
通过寄存器文件，CPU能够高效地进行数据的读取和存储。
5. 控制单元设计控制单元是CPU中的重要模块，负责解析指令并控制各个组件的操作。
我们设计了一个简单的控制单元，使用有限状态机（FSM）来实现指令的解析和控制信号的生成。
控制单元根据指令的操作码，决定对应的操作，并将操作所需的控制信号发送给其他组件。
6. 数据通路设计数据通路是CPU中各个组件之间的数据传输路径。
我们设计了一个简单的数据通路，包括指令寄存器、程序计数器、寄存器文件、算术逻辑单元等。
数据通路能够将指令中的操作数从寄存器文件中读取出来，并将运算结果写回到寄存器文件。
7. CPU实现与验证我们使用硬件描述语言（HDL）对CPU进行实现，并通过仿真和测试验证其正确性。
通过编写测试程序，我们能够对CPU的各个指令进行测试，并检查其运行结果是否符合预期。
8. 结果与分析经过测试，我们的CPU能够正确执行设计的指令集，并产生正确的运算结果。
通过性能测试，我们还评估了CPU的运行速度和效率，并与其他现有的CPU进行了比较。
CPU实验报告范文
CPU实验报告范文一、实验目的本次实验的目的是设计和实现一个简单的中央处理器（CPU），通过实践掌握CPU的基本工作原理和实现方法。
二、实验原理1.CPU的基本概念中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行计算机指令和控制计算机的操作。
它由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责执行算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法等。
控制器负责指挥CPU的工作，通过控制总线实现对内存和其他外部设备的访问。
寄存器是CPU内部的存储器，用于暂时存放指令、数据和中间结果。
2.CPU的实现方法CPU的实现采用组合逻辑电路和时序逻辑电路相结合的方法。
组合逻辑电路是由逻辑门构成的电路，它的输入只依赖于当前时刻的输入信号，输出也只与当前时刻的输入信号有关。
而时序逻辑电路则包含存储元件，其输出不仅与当前时刻的输入信号有关，还与之前的输入信号有关。
CPU的实现过程主要包括以下步骤：（1）设计指令集：确定CPU支持的指令集，包括指令的格式和操作码。
（2）设计控制器：根据指令集设计控制器，确定各个指令的执行过程和控制信号。
（3）设计运算器：根据指令集设计运算器，确定支持的算术和逻辑运算。
（4）设计寄存器：确定需要的寄存器数量和位数，设计寄存器的输入输出和工作方式。
3.实验环境和工具本次实验使用的环境和工具如下：（1）硬件环境：计算机、开发板、示波器等。
（2）软件环境：Win10操作系统、Vivado开发工具等。
三、实验步骤1.设计指令集根据实验要求，我们设计了一个简单的指令集，包括加法、减法、逻辑与、逻辑或和移位指令。
每个指令有特定的操作码和操作数。
2.设计控制器根据指令集设计了一个控制器。
控制器根据指令的操作码产生相应的控制信号，控制CPU内部寄存器、运算器和总线的操作。
3.设计运算器根据指令集设计了一个运算器。
运算器包括加法器、减法器、与门和或门等。
它通过输入的操作数和控制信号完成相应的运算操作。
4.设计寄存器根据实验需求确定了所需的寄存器数量和位数。
计算机组成原理CPU设计实验报告
计算机组成原理CPU设计实验报告课程设计题目:16位CPU设计学院: 信息学院班级:电子A班学号:1115102015姓名:方茹1目录1 实验方法 ..................................................................... . (4)2 总体说明 ..................................................................... ................................................. 5 2.1指令系统: .................................................................... .......................... 5 2.1.1指令格式分类(按指令字长和操作数不同): ...................................................... 5 2.1.2具体指令汇总表: .................................................................... .......................... 6 2.1.3相关指令流程图: .................................................................... .......................... 6 2.1.4指令数据通路的构建: .................................................................... ................... 8 2.1.5指令的分组及节拍: .................................................................... ..................... 12 2.1.6指令执行状态图:(见下页)..................................................................... ........... 13 2.1.7具体微指令: .................................................................... ............................... 13 2.2 系统整体介绍 ..................................................................... .................. 16 2.2.1系统基本模块划分 ..................................................................... ....................... 16 2.2.2总体结构图:(见下页)..................................................................... (17)3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................... ......18 3.1取指令逻辑的设计 ..................................................................... .. (19)3.1.1指令地址的保存 ..................................................................... (19)3.1.2指令存储器 ..................................................................... .................................. 20 3.1.3下一条指令地址的计算 ..................................................................... ................ 20 3.2指令译码逻辑的设计...................................................................... ...................... 21 3.3指令执行逻辑的设计...................................................................... ...................... 22 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................... ................... 23 3.5结果写回逻辑的设计...................................................................... ...................... 24 3.6单周期CPU的总成...................................................................... (25)4各部分说明 ..................................................................... .............................................26 4.1ALU .................................................................................................................... 26 4.2数据选择器BUS_MUX ................................................................ ........................ 28 4.3器件T1 ..................................................................... .......................................... 30 4.4标志寄存器FLAG_REG ............................................................... ........................ 31 4.5T2: .................................................................... ................................................ 33 4.6程序计数器PC ..................................................................... ............................... 33 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR: .................................................................... .. 34 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择.......................................................................36 4.9一位控制信号/WR .................................................................... ........................... 37 4.10 节拍发生器 ..................................................................... .................................. 37 4.11控制逻辑 ..................................................................... ...................................... 39 4.12T3...................................................................... ................................................ 42 4.13REG_OUT ......................................................................................................... 43 4.14存储器 ..................................................................... .......................................... 44 4.15总线选择器 ..................................................................... .. (45)24.16REG_TEST ............................................................... .. (46)5附录: .................................................................... .. (47)附录A:组员分工: .................................................................... .. (47)附录B:组员设计总结: .................................................................... . (47)31 实验方法实验要完成的工作主要包括:指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现(VHDL语言程序的编写)，软件模拟，以及硬件调试。
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实验中央处理器的设计与实现
一、实验目的
1、理解中央处理器的原理图设计方法。
2、能够设计实现典型MIPS的11条指令。
二、实验要求
1、使用Logisim完成数据通路、控制器的设计与实现。
2、完成整个处理器的集成与验证。
3、撰写实验报告，并提交电路源文件。
三、实验环境
VMware Workstatio ns Pro + Win dows XP + Logisim-wi n-2.7.1
四、操作方法与实验步骤
1、数据通路的设计与实现
数据通路主要由NPC、指令存储器、32位寄存器文件、立即数扩展部件、ALU、数据存储器构成。
其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的ROM和RAM元件直接完成，其余部件的设计如图所示：
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图 1.1 NPC G—--
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图1.3立即数扩展部件
图 1.4 ALU
2、控制器的设计与实现
控制器的主要设计思想如图所示
图2.1控制器设计思想
通过列真值表得到控制器的两部分电路，真值表如下:
输入
000000 001101 100011 101011 000100 000010
immIC
£it£
DOO -DO ooo
n Q □□□non
UOnflO OOC
»＞：＞0 DQ 000
指令
lnst ：ruction[31：O]
OP[5:OJ
fu net [5:0]
Jump ExBp
Branch Mem Write
ALUctr * RegWrite
MemtoReg * ALUSrc
控制器
控制信号
LLLLLLLLLmM f
ZERO
A
()--
irnmmmiiiimiiiiifeiiim
IIII93 1-] * 11114444
".'O
表2.1控制器设计真值表
I —® _j —H§>
---- © "Lng>
图2.2 控制器
3、处理器的集成与验证
集成：将各个部件按要求链接，具体方式如图所示:
Linci[5 :C] p 0 0 0 0 fynptP 切
ALU-srp q
—[p 1 0)ALUdr[2:0]
4.U 时训
kjbrriaR*q 彳 B*fP # Retffihtie 人 Ms^Wrie #
frw*
庖畑|2:弘
测试汇编程序
测曄果
0x01 add r2, rl t rl R2 = 0x00000002 0x02 and r3f rl t r2 R3 = 0x00000000 0x03 or r4, rl, r2 R4 = 0x00000003 0x04 sit r5t r3t r4 R5 = 0x00000001
0x05 sub r6t r6, r5 册从。
开始递减,每次减 i 0x06 sw r6, 4(r0) 数据存储器地址为4处保存恥的值
0x07 Iw r7r 4(H)) R7 = R6
0x08 beg r6. r7r 8 晞至如Mh OxOb JO
跳转至如
图3.2寄存器对照值
图3.3寄存器实际运行值
图 3.1 CPU
验证：将指令的16进制表示输入指令存储器，运行后记录寄存器中的数 据与标准值进行对照：
-M WMOttXM 01 codoticiW)
l 闻 MOOWOT
3
r, M WOOHW :
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由上两图对照可得CPU的功能实现成功。