### CPU设计与测试系统——信息安全专业实践报告
#### 一、前言
##### 1.1 实验目的
本实验的主要目标在于使学生能够融会贯通本课程所学的CPU系统知识，通过实际的设计与测试过程，加深对CPU各组成部分工作原理的理解以及它们之间的相互联系。此外，本实验还将帮助学生掌握以下几个方面的技能：
1. **了解和运用CPU设计的基本步骤与方法**：学习如何使用现代EDA（电子设计自动化）技术进行电子系统的设计。
2. **熟悉CPU设计与组装调试的过程**：通过实践操作，学生能够掌握CPU设计的基本实践方法。
3. **深入理解CPU各模块的工作原理**：通过对CPU各功能模块的学习与实践，了解其工作原理。
##### 1.2 实验内容
本次实验主要包括以下三个方面的内容：
1. **设计一个完整的CPU系统**：按照给定的数据格式和指令系统，设计包含指令系统、运算器、控制器和寄存器组在内的完整CPU。
2. **使用VHDL进行硬件描述**：利用VHDL硬件描述语言对CPU的各个功能模块进行代码编写，并学习如何将各个功能模块组织起来形成一个完整的CPU体系结构。
3. **掌握实验平台上的调试方法**：学会使用实验平台进行调试，包括监控FPGA-CPU的状态和设置断点等技巧。
##### 1.3 实验环境
- **软件环境**：使用Quartus-5.1软件进行编码和时序模拟。此软件不仅支持编码工作，还可以进行有效的时序模拟，并最终用于烧录芯片等工作。
- **调试软件**：使用DC软件监控FPGA-CPU的状态，以及通过设置断点来调试FPGA-CPU正在执行的程序。
- **硬件环境**：采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作为主要硬件平台。FPGA是一种现场可编程门阵列，其特点是逻辑功能块可以通过编程互联资源进行连接，从而实现不同的设计。
#### 二、设计报告
##### 2.1 实验方法
本实验的方法主要分为以下几个步骤：
1. **指令系统设计**：首先设计FPGA-CPU的指令集。指令系统是CPU设计的基础，它直接决定了CPU能够执行什么样的任务。
2. **逻辑设计**：明确CPU的主要功能模块，并分析每条指令的执行过程、数据流向和控制信号的产生，绘制逻辑结构图。
3. **代码实现**：基于各个功能模块编写源代码，并生成相应的硬件器件。然后，将各个器件和模块之间进行互连，形成顶层设计图。根据逻辑图将器件引脚逐一连接好，并对封装好的CPU端口进行管脚配置。
4. **硬件调试**：将编译好的sof文件下载到FPGA中，并使用调试软件进行调试。
##### 2.2 总体说明
本节详细介绍CPU的指令系统及其设计细节。
1. **指令系统**：指令系统是用户使用计算机的最小功能单位。指令系统直接关系到计算机的性能和硬件结构的复杂程度。在设计CPU时，指令系统的确定是起点也是基础。
- **指令格式分类**：根据指令字长和操作数的不同，指令可以分为单字单操作数指令、单字双操作数指令、单字无操作数指令、双字单操作数指令和双字双操作数指令。
- **指令的分组及节拍**：根据指令执行步骤的不同，可以将指令分为A组和B组。A组指令主要是通用寄存器之间的数据运算或传送等简单操作，可在取指后一步完成；B组指令则涉及内存读写操作，需要两步完成。
在控制器设计上，采用了组合逻辑控制器方案，并使用节拍来标记每条指令的执行步骤。通过这种方式，可以有效地管理指令的执行流程。
通过以上介绍可以看出，本实验不仅注重理论知识的学习，更强调实践操作能力的培养。学生将在实验过程中全面了解CPU设计的各个环节，从指令系统的设计到硬件的调试，逐步建立起对CPU工作的整体认识。
