实验二：单周期CPU设计1

实验二：“单周期CPU设计1”主要关注的是计算机体系结构中的单周期处理器设计，这是一个基础且重要的概念。在计算机系统中，CPU（中央处理器）是核心部件，负责执行指令和控制计算机的操作。单周期CPU的设计目标是使得每条指令的执行都在一个单一的时钟周期内完成。 1. **取指令(IF)阶段**： 在这个阶段，CPU会根据程序计数器（PC）中的地址从内存中取出指令。PC会自动递增，以便在下个时钟周期获取下一条指令的地址。描述中的“add rd, rs, rt”指令就是一个典型的汇编指令，表示将寄存器rs和rt中的数值相加，结果存储在寄存器rd中。 2. **指令格式**： - **算术运算指令**： - `add rd, rs, rt`：执行加法运算，rd = rs + rt。 - `addi rt, rs, immediate`：将立即数（immediate）符号扩展后与rs相加，结果存储在rt中。 - `sub rd, rs, rt`：执行减法运算，rd = rs - rt。 - **逻辑运算指令**： - `ori rt, rs, immediate`：进行按位或运算，rt = rs OR (immediate零扩展)。 - `and rd, rs, rt`：执行逻辑与运算，rd = rs AND rt。 - `or rd, rs, rt`：执行逻辑或运算，rd = rs OR rt。 - **传送指令**： - `move rd, rs`：简单地将rs的内容复制到rd中，相当于rd = rs。 - **存储器读/写指令**： - `sw rt, immediate(rs)`：将rt的内容写入内存地址(rs + immediate)。 - `lw rt, immediate(rs)`：从内存地址(rs + immediate)读取数据到rt。 - **分支指令**： - `beq rs, rt, immediate`：如果rs等于rt，则根据符号扩展后的immediate值调整PC，进行条件跳转。 - **停机指令**： - `halt`：停止CPU运行，PC保持不变。 3. **实验原理**： 单周期CPU的工作原理在于其数据通路设计，它包括了ALU（算术逻辑单元）、寄存器堆、控制单元、数据存储器以及PC等组件。每个时钟周期，指令从内存被读取并解码，然后执行相应的操作，如算术或逻辑运算，最后更新寄存器和PC状态。例如，在执行`add`指令时，ALU会接收rs和rt的值，计算结果并将其写回到rd中。控制信号会同步所有组件的操作，确保在一个时钟周期内完成。 4. **时钟周期**： 时钟周期定义了CPU的最基本时间单位，是CPU工作频率的倒数。在一个时钟周期内，CPU完成一个完整操作，包括取指令、执行指令等。时钟上升沿标志着一个新的操作的开始，下降沿则标记操作的结束。在单周期CPU中，所有操作都在同一个时钟周期内完成，这简化了设计，但可能导致性能限制，因为不同指令的执行时间可能不同。 通过这个实验，学生能够深入理解CPU内部运作的基本机制，熟悉指令集架构，并学习如何设计和实现一个简单的处理器。这对于理解和优化更复杂的多周期CPU或流水线CPU至关重要。