RISC_CPU的算数运算器
四大主流芯片架构（X86、ARM、RISC-V和MIPS）
四大主流芯片架构（X86、ARM、RISC-V和MIPS）文章目录•••1、X86架构•2、ARM架构•3、RISC-V架构•4、MIPS架构•没有所谓的“万能芯片架构”•目前市场上主流的芯片架构有X86、ARM、RISC-V和MIPS四种：其实还有第五种：龙芯指令集LoongArch，咱再等等她，等她遍地开花时。
1、X86架构X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。
1978年6月8日，Intel 发布了新款16位微处理器 8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。
X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU–i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令。
随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的 Pentium 4系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。
2、ARM架构ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。
由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。
如今，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。
ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置到电脑外设甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。
ARM和X86架构最显著的差别是使用的指令集不同。
3、RISC-V架构RISC-V 架构是基于精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构（ISA），RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。
RISC-V 指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。
计算机结构的介绍
计算机结构的介绍计算机结构是指计算机内部各部件的组织方式和相互之间的联系。
它是计算机系统的重要组成部分，直接影响到计算机的性能和功能。
计算机结构主要包括以下几个方面：1.中央处理器(CPU)：CPU是计算机的核心部件，主要负责执行指令和处理数据。
它由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责控制计算机的运行，算术逻辑单元负责执行算术和逻辑运算。
2.存储器：存储器是计算机中用来存储数据和指令的部件。
它包括内存和外存两部分。
内存主要用来存储程序和数据，外存主要用来长期保存数据。
3.输入输出设备：输入输出设备是计算机与外部世界交互的接口，主要包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
它们可以将人类的输入转化为计算机能够理解的指令和数据，并将计算机的输出转化为人类可以理解的形式。
4.总线：总线是计算机内部各部件之间传递信息的通道，主要包括数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用来传递数据，地址总线用来传递地址，控制总线用来传递控制信号。
5.指令集架构：指令集架构是CPU执行指令的方式和指令集的组成方式。
常见的指令集架构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)。
6.流水线技术：流水线技术是一种提高CPU执行效率的技术，它将CPU执行指令的过程分成多个阶段，每个阶段执行不同的操作，不同指令可以同时在不同阶段执行，从而提高了CPU的执行效率。
7.多核技术：多核技术是一种提高计算机性能的技术，它将多个CPU集成在一个芯片上，可以同时处理多个任务，提高计算机的运行速度。
8.并行计算：并行计算是一种利用多个计算机或CPU同时处理任务的技术，可以大大提高计算机的运行速度。
计算机结构的不同组织方式和技术的应用，对计算机的性能和功能有着重要的影响。
在设计计算机时，需要根据具体应用需求选择最适合的计算机结构和技术，以实现最优的性能和功能。
计算机组成原理第6版(白中英)第5章中央处理器
5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
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5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
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3
5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
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5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
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5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
计算机组成原理模考试题(含参考答案)
计算机组成原理模考试题（含参考答案）一、单选题（共100题，每题1分，共100分）1、CRT显示器上构成图像的最小单元称为（）。
A、像素B、元素C、亮点D、单位正确答案：A2、补码加法运算是指( )A、操作数用补码表示，将被加数变补，然后相加B、操作数用补码表示，将加数变补，然后相加C、操作数用补码表示，符号位单独处理D、操作数用补码表示，连同符号位一起相加正确答案：D3、下列数中，最大的数是（）A、45DB、101001BC、52QD、2BH正确答案：A4、关于通用寄存器，下列说法正确的是（）。
A、可存放指令的寄存器B、可存放程序状态字的寄存器C、可存放运算结果的寄存器D、本身具有计数逻辑与移位逻辑的寄存器正确答案：C5、加法器采用先行进位的目的是（）。
A、优化加法器的结构B、增强加法器结构C、加速传递进位信号D、节省器材正确答案：C6、某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令29条，二地址指令107条，每个地址字段为6位，则指令字长至少应该是（）。
A、24位B、32位C、26位D、28位正确答案：A7、在以下I/O控制方式中，主要由硬件而不是软件实现数据传送的方式是（）。
A、DMA方式B、无条件程序控制方式C、程序中断方式D、程序查询方式正确答案：A8、计算机中表示地址时，采用( ) 。
A、补码B、原码C、无符号数D、反码正确答案：C9、在调频制记录方式中，记录1时，写电流（）。
A、只在位单元中间位置变化一次B、只在本位起始处正向变化一次C、只在本位起始处变化一次D、在本位起始处和位单元中间位置各变化一次正确答案：D10、在微程序控制器中，一条机器指令的功能通常由（）。
A、一段微程序实现B、一条微指令实现C、一个指令码实现D、一个条件码实现正确答案：A11、CPU中能进行算术和逻辑运算的最基本运算部件是（）。
A、ALUB、移位器C、多路选择器D、加法器正确答案：A12、PC寄存器的内容（）。
单片机的中央处理单元原理与性能分析
单片机的中央处理单元原理与性能分析单片机是一种集成电路，包含了中央处理单元（CPU）、存储器和外设接口等功能模块。
其中，中央处理单元作为单片机的核心部分，负责处理数据和执行指令。
本文将详细介绍单片机中央处理单元的原理与性能分析。
一、中央处理单元的原理中央处理单元（CPU）是单片机的核心组成部分，主要负责指令的控制和数据的处理。
CPU通常由控制器、运算器和寄存器组成。
1. 控制器控制器是CPU中的主要部分，负责指令的解码和执行。
它从存储器中读取指令，解码指令的操作码，并根据操作码控制执行相应的操作。
控制器还负责控制数据的输入输出和处理器的时序。
2. 运算器运算器是CPU中的另一个重要部分，主要负责数学和逻辑运算。
它能够执行加、减、乘、除等算术运算，并进行逻辑判断以实现条件分支等功能。
3. 寄存器寄存器是CPU中的临时存储器件，用于暂存数据和地址。
它们比其他存储器速度更快，因此可以提高CPU的运行效率。
常见的寄存器包括累加器、程序计数器、标志寄存器等。
二、中央处理单元的性能分析中央处理单元的性能主要通过以下几个指标进行评估。
1. 时钟频率时钟频率（Clock Frequency）指的是CPU内部时钟的频率，即CPU能够执行的最大操作次数。
时钟频率越高，CPU处理速度越快。
时钟频率与处理器的时钟周期相关，时钟周期是时钟频率的倒数。
因此，时钟频率越高，时钟周期越短。
2. 指令集指令集是CPU能够执行的指令的集合。
不同的CPU具有不同的指令集，如x86、ARM等。
指令集的设计直接影响到CPU的功能和性能。
现代的CPU通常采用复杂指令集（CISC）或精简指令集（RISC）。
3. 流水线技术流水线技术是提高CPU性能的一种重要手段。
它将指令的执行过程划分为多个阶段，并使多个指令可以同时在不同阶段执行。
这样能够提高指令的并行性，提高CPU的效率。
4. 缓存技术缓存技术是一种用于提高CPU访问速度的方法。
CPU内部包含了多级缓存，用于暂存指令和数据。
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相关知识介绍
CPU相关知识介绍CPU是计算机的核心组件，全称为中央处理器（Central Processing Unit）。
它是一种位于计算机主板上的芯片，负责对数据进行处理和控制整个计算机系统的运行。
CPU的性能直接影响计算机的速度和效能。
下面将对CPU相关知识进行介绍。
1.CPU的结构CPU通常由运算器、控制器和寄存器三部分组成。
-运算器：负责执行各种算术和逻辑运算，其中包括加法、减法、乘法、除法等操作。
-控制器：负责指示计算机按照程序的顺序执行指令，控制数据的传输和操作的进行。
-寄存器：用于存储指令和数据，是CPU内部最快的存储器。
2.CPU的主频主频是CPU的一个重要参数，表示CPU每秒钟可以执行的指令周期数。
它是衡量CPU速度的重要指标之一，较高的主频通常意味着更快的计算能力。
主频的单位是赫兹（Hz），常见的主频单位有兆赫（MHz）和千兆赫（GHz）。
然而，主频并不是唯一影响CPU性能的因素，其体系结构、字长等也会对性能产生影响。
3.CPU的核心数量随着计算机性能的提升，现代CPU通常都具备多个核心。
核心是指一个独立的处理单元，相当于一个独立的CPU。
多核CPU可以同时执行多个任务，提高计算机的运行效率。
例如，双核CPU就可以同时处理两个任务，四核CPU、六核CPU、八核CPU等可以同时处理更多的任务，提升计算机的多任务处理能力。
然而，并非所有的软件都能充分利用多核CPU的优势，需要有针对性地编写多线程程序才能发挥多核CPU的潜力。
4.CPU的缓存CPU的缓存是一种高速存储器，位于CPU内部，用于加快对存储器的访问。
相比于内存，CPU的缓存速度更快，但容量更小。
缓存分为多级缓存，常见的有一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）和三级缓存（L3 Cache）。
多级缓存之间容量逐渐增大，速度逐渐减慢。
缓存的存在可以减少CPU访问内存的时间，提高计算机的整体性能。
5.CPU的架构CPU的架构是指CPU的整体设计和组织方式。
复杂指令集和精简指令集
复杂指令集和精简指令集指令集是计算机体系结构的重要组成部分，它是计算机执行程序的指令集合，包括操作码和操作数等元素。
指令集的设计和选择对计算机的性能、成本和可移植性等方面有很大的影响。
主要有两种指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Architecture，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Architecture，RISC）。
下面我们将详细介绍这两种架构的特点以及各自的优缺点。
一、复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机体系结构最早出现在20世纪70年代，其最初的设想是将多条简单的指令合并成一条复杂的指令，以提高指令集的设计效率和程序的执行速度。
复杂指令集计算机单条指令可以针对一个任务执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、存储等操作。
它具有以下特点：1. 指令集较为复杂：CISC体系结构中的指令集合较为庞大，涵盖了多种算术运算、逻辑运算、访问存储器等操作，每条指令执行的操作数目较多。
2. 可以降低程序员的工作量：它具有很强的程序兼容性，程序员可以使用语义丰富、操作多样的指令来编写程序，编程较为简便。
3. 数据传输能力较强：CISC指令集支持多种地址寻址方式，可以通过一条指令传输大块数据，节省了时间和空间。
4. 代码密度较高：CISC指令具有较长的字长和高代码密度，可以使程序占用的内存较小。
5. 对内存的使用相对较少：由于CISC指令集中包含了很多常用的命令，所以相对于RISC指令集，CISC指令可以使程序的执行速度更快，CPU可以少使用内存。
不过随着时间的推移，CISC体系结构逐渐暴露出了一些问题。
CISC指令集架构虽然功能强大，但每条指令的执行时间较长，开销很高，导致处理器需要消耗更多的内存和时间来执行指令。
精简指令集计算机体系结构是20世纪80年代提出的一种新型的计算机架构，它的设计思想是通过增加寄存器数量和减少指令集的复杂程度，减少单条指令的执行时间，从而提高处理器的性能和效率。
《微处理器 》课件
按寻址方式分类
根据指令的寻址方式，可以将指令集分为立即寻址 、寄存器寻址、内存寻址和位寻址等。
按长度分类
根据指令的长度，可以将指令集分为单字节 指令、双字节指令、三字节指令和四字节指 令等。
指令集实现方式
硬编码实现
通过硬件电路实现指令集中的所有指令，这种方 式速度快但灵活性差。
微编程实现
通过微程序控制单元实现指令集中的所有指令， 这种方式灵活性好但速度较慢。
《微处理器》PPT课件
目 录
• 微处理器简介 • 微处理器的体系结构 • 微处理器的指令集 • 微处理器的编程模型 • 微处理器的性能优化 • 微处理器的发展趋势
01
微处理器简介
微处理器的定义
微处理器是一种集成电路芯片， 它包含了计算机的中央处理器（
CPU）的主要功能。
微处理器是计算机系统的核心部 件，负责执行指令和处理数据。
并行计算技术
总结词
并行计算技术是利用多个处理器同时 执行多个任务，以提高整体计算性能 。
详细描述
并行计算技术通过将一个任务分解成 多个子任务，并分配给多个处理器同 时执行，大大加快了计算速度。这种 技术广泛应用于高性能计算、云计算 和大数据等领域。
低功耗技术
总结词
随着移动设备和便携式设备的普及，低功耗技术已成为微处理器发展的另一个重要趋势 。
微处理器的应用领域
01
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04
计算机领域
个人电脑、服务器、超级计算 机等都离不开微处理器的支持
。
通信领域
手机、路由器、交换机等通信 设备中都有微处理器的身影。
工业控制领域
自动化生产线、机器人、智能 家居等都需要微处理器进行控
计算机组成与指令集
计算机组成与指令集计算机组成与指令集是计算机科学中的重要概念，它们关系着计算机系统的构建和运行。
计算机组成是指计算机硬件的构成部分，包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。
指令集则是计算机系统所支持的指令集合，用于指导计算机的操作和运行。
一、计算机组成计算机组成是计算机系统的基础，它包含了各种硬件组件。
其中，中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部分，负责执行指令和控制计算机的运行。
CPU由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器用于执行各种算术和逻辑运算，控制器用于指导各个硬件组件的操作，寄存器则用于暂时存储数据和指令。
内存是计算机的存储部分，用于存储程序和数据。
内存分为主存和辅存两部分。
主存是CPU能够直接访问的存储器，它具有较快的读写速度，但容量有限。
辅存则是指硬盘、光盘等外部存储设备，容量较大但读写速度较慢。
输入输出设备用于与计算机进行交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机等。
通过输入输出设备，用户可以输入指令和数据，同时也可以查看计算机的运行结果。
二、指令集指令集是计算机所支持的指令的集合，用于执行各种操作。
计算机通过指令集来理解和执行用户的指令。
指令集可以分为两种类型：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
RISC指令集具有指令简单、执行速度快的特点。
它将复杂的操作分解为一系列简单的指令来执行。
RISC指令集的优点是指令长度固定，执行速度快，但缺点是需要更多的指令来完成一个操作。
CISC指令集则是指令比较复杂，一条指令可以执行多个操作。
CISC指令集的优点是可以通过一条指令完成多个操作，提高了程序的效率，但缺点是指令长度不固定，执行速度较慢。
在计算机组成中，CPU根据指令集来执行各种操作。
指令集包括算术逻辑指令、数据传输指令、控制指令等。
算术逻辑指令用于进行加减乘除等数学运算，数据传输指令用于在寄存器和内存之间传输数据，而控制指令则用于控制程序的执行流程。
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一、ALU主程序代码
/*========================================================================\* Function List:
1\ CLK_GEN();
2\ REGISTER();
3\ ACCUM();
4\ ALU();
5\ DA TACTL();
6\ ADDR();
7\ COUNTER();
8\ MACHINE();
9\ MACHINELE();
这里主要是根据送来的操作码进行相应的运算，并输出给Alu_out
*\========================================================================*/ `timescale 1ns/100ps
module ALU (
Alu_out,
Zero,
Data,
Accum,
Alu_ena,
Opcode,
Clk
);
input Alu_ena,
Clk;
input [2:0] Opcode;
input [7:0] Data,
Accum; //输入端口
output Zero;
output [7:0] Alu_out; //输出端口
reg [7:0] Alu_out; //定义寄存器
parameter
HLT = 3'b000,
SKZ = 3'b001,
ADD = 3'b010,
第1页共5页
ANDD = 3'b011,
XORR = 3'b100,
LDA = 3'b101,
STO = 3'b110,
JMP = 3'b111; //参数的定义
assign Zero =! Accum;
always @ (posedge Clk) //判断并执行相关的运算
if(Alu_ena)
begin
casex(Opcode)
HLT : Alu_out <= Accum;
SKZ : Alu_out <= Accum;
ADD : Alu_out <= Data + Accum;
ANDD : Alu_out <= Data & Accum;
XORR : Alu_out <= Data ^ Accum;
LDA : Alu_out <= Data;
STO : Alu_out <= Accum;
JMP : Alu_out <= Accum;
default:Alu_out <= 8'bxxxx_xxxx;
endcase
end
endmodule
二、仿真TB程序代码
`timescale 1ns/100ps
module TB_ALU ();
reg Alu_ena,
Clk;
reg [7:0] Data,
Accum;
reg [2:0] Opcode;
第2页共5页
wire [7:0] Alu_out;
wire Zero;
parameter T = 20;
ALU U (.Alu_ena(Alu_ena),.Data(Data),
.Accum(Accum),.Opcode(Opcode),
.Alu_out(Alu_out),.Zero(Zero),
.Clk(Clk));
initial
fork
Alu_ena = 0;
Data = 0;
Accum = 0;
Opcode = 0;
Clk = 0;
join
initial
fork
repeat(2*T) #T Opcode = Opcode + 1;;
repeat(2*T) #T Data = {$random}%256;
repeat(2*T) #T Accum = {$random}%256;
repeat(2*T) #(2*T) Alu_ena = ~Alu_ena;
repeat(4*T) #(T/2) Clk = ~Clk;
#(40*T) $stop;
join
endmodule
第3页共5页
三、生成的SYMBOL图
四、功能仿真波形图
第4页共5页
五、生成的RTL电路图
第5页共5页。