（16）关于测试单周期CPU的简单方法（简单型）1

在计算机系统中，CPU（中央处理器）是核心组件之一，负责执行指令并控制硬件操作。对于单周期CPU，它的设计通常简化了流水线结构，使得每个指令在一个时钟周期内完成。测试单周期CPU的目的是确保其能正确执行各种指令，并在给定的硬件环境中正常工作。下面我们将详细解析给定的测试程序段，了解如何测试单周期CPU。 我们需要了解MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）指令集架构，这是该测试程序所基于的。MIPS指令格式一般包括操作码（opcode）、寄存器源（rs）、寄存器目标（rt）、寄存器结果（rd）和立即数（immediate），其中部分指令可能不需要所有字段。 测试程序段包含了以下MIPS指令： 1. `addi $1,$0,800000`：这是一个立即数加载加法指令，将立即数800000（16进制）加到寄存器$1中。寄存器$0通常代表零寄存器，其值始终为0。因此，$1的最终值为800000。 2. `ori $2,$0,201000`：这是按位或指令，将立即数201000（16进制）与寄存器$0（0）的值进行按位或操作，结果存入$2。 3. `add $3,$2,$1`：这是加法指令，将$2和$1的值相加，结果存入$3。 4. `sub $5,$3,$2`：这是减法指令，将$3减去$2的值，结果存入$5。 5. `and $4,$5,$2`：这是按位与指令，将$5和$2的值进行按位与操作，结果存入$4。 6. `or $8,$4,$2`：这是按位或指令，将$4和$2的值进行按位或操作，结果存入$8。 7. `sll $8,$8,1`：这是逻辑左移指令，将$8的内容左移1位，结果存回$8。 8. `bne $8,$1,-2`：这是条件分支指令，如果$8不等于$1，则跳转到地址减2的位置，即循环回到当前指令。 9. `slt $6,$2,$1`：这是小于（signed）比较指令，如果$2的值小于$1，则在$6中设置一个非零值，否则清零。 10. `slt $7,$6,$0`：类似地，这是另一个小于比较指令，如果$6的值小于$0（零寄存器），则在$7中设置一个非零值。 11. `addi $7,$7,8`：这是另一个立即数加载加法指令，将8加到$7中。 12. `beq $7,$1,-2`：如果$7等于$1，则分支到地址减2，实现循环。 13. `sw $2,4($1)`：这是存储（store word）指令，将$2的值存入内存地址为$1+4的位置。 14. `lw $9,4($1)`：这是加载（load word）指令，从内存地址为$1+4的位置加载数据到$9。 15. `bgtz $9,1`：如果$9的值大于0，则跳转到下一个地址（即继续执行下一条指令）。 16. `halt`：停止指令，使CPU停止执行。 测试单周期CPU时，首先要将这些指令代码加载到指令存储器中，然后初始化PC（程序计数器）的值，使其指向程序的起始地址0x00000000。接下来，运行Xilinx Vivado这样的仿真工具，观察CPU执行这些指令时的波形，检查每个步骤的寄存器状态、内存访问和控制信号是否符合预期。通过这种方法，可以验证CPU的设计是否正确无误，确保其在实际应用中能正确执行各种指令。