计算机组成原理 - 基于 MIPS 指令系统的处理器设计

HIT计组 CISC大作业 本资源摘要信息是关于计算机组成原理的课程报告，主题是复杂模型机设计实验。该报告涉及到计算机组成原理的多个方面，包括处理器功能、指令系统、数据寻址方式和微程序设计等。 1. 处理器功能及指令系统定义 模型机规定采用无符号数表示数据，字长为８位，8 位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是： 0≤X≤28－1。指令系统共有 15 条基本指令，包括运算类指令、控制转移类指令和数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有 6 条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR、RR。控制转移类指令有三条 HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移。数据传送类指令有 IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA 共 6 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和 I/O、寄存器和存储器之间的数据交换。 2. 指令格式 所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT 和 MOV）格式如下：其中，OP-CODE 为操作码，RS 为源寄存器，RD 为目的寄存器。IN 和 OUT 的指令格式为：其中括号中的 1 表示指令的第一字节，2 表示指令的第二字节，OP-CODE 为操作码，RS 为源寄存器，RD 为目的寄存器，P 为 I/O 端口号，占用一个字节。LDI 指令为立即寻址，LAD、STA、JMP 和 BZC 指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。 3. 数据寻址方式 系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址。LDI 指令为立即寻址，LAD、STA、JMP 和 BZC 指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。 4. 微程序设计 微程序设计结合 TDX—CMX 实验系统复杂模型机结构，给出微程序流程图和二进制代码表。微程序二进制代码表如下： 地址 十六进制表示高五位 S3-S0A 字段 B 字段 C 字段 UA5-UA0 0000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 ... 本资源摘要信息对计算机组成原理的相关知识点进行了详细的解释和分析，为读者提供了详细的参考资料和学习资源。

本实验从 MIPS 单周期 CPU 开始逐步构建无冲突冒险的理想指令流水线，能处理分支相关的指令流水线，采用气泡处理数据相关的气泡式流水线，采用重定向解决数据相关的重定向流水线。并最终在 MIPS 五段流水线上实现动态分支预测技术。 第1关：单周期CPU(24条指令).txt 第2关：理想流水线设计.txt 第3关：气泡流水线设计(EX段分支3624版本).txt 第4关：重定向流水线(EX段分支2298版本).txt 第7关：单周期MIPS+单级中断.txt 第9关：多级嵌套中断(EPC内存堆栈保存).txt （其余关卡还在持续更新当中……）

一. 实验目的：通过学习简单的指令系统及其各指令的操作流程，用 Verilog HDL 语言实 现简单的处理器模块，并通过调用存储器模块，将处理器模块和存储器模块连接形成简 化的计算机核心部件组成的系统。 二. 实验内容 1. 底层用 Verilog HDL 语言实现简单的处理器模块设计。 2. 调用存储器模块设计 64×8 的存储器模块。 3. 顶层用原理图方式将简单的处理器模块和存储器模块连接形成简单的计算机核心 部件组成的系统。 4. 将指令序列存入存储器，然后分析指令执行流程。

"武汉理工大学计算机组成原理课程设计实验报告书" 本设计报告书是武汉理工大学计算机组成原理课程设计实验报告书的总结，旨在通过综合设计，深入了解计算机整机的综合理解，掌握微程序控制器的组成原理和微程序的编制、调试技术，以及模型机设计的基本方法，强化设计能力和实验动手能力。 主要知识点： 1. 计算机组成原理：计算机组成原理是计算机科学和技术的基础，涉及计算机系统的基本结构、组成部分、工作原理和设计方法等。 2. 微程序控制器：微程序控制器是计算机系统的核心组件，负责控制和管理计算机的所有操作，包括指令执行、数据处理和存储管理等。 3. 模型机设计：模型机设计是计算机组成原理实验的重要组成部分，旨在设计和实现一个复杂的计算机整机系统，分析其工作原理和性能。 4. 变址寻址：变址寻址是计算机系统中的一种寻址方法，通过使用变址寄存器来访问存储器中的数据，实现了灵活的数据处理和存储管理。 5. 微指令格式：微指令格式是计算机系统中的一种指令格式，用于描述微程序的结构和执行过程，包括操作码、操作数和地址码等。 6. TD-CMA 计算机组成原理教学实验系统：TD-CMA 是一款计算机组成原理教学实验系统，提供了一个完整的计算机系统实验平台，包括硬件和软件两个部分。 7. 设计实验：设计实验是计算机组成原理课程设计的重要组成部分，旨在通过实践设计，掌握计算机组成原理的基本知识和技能。 主要技术点： 1. 设计设备：PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。 2. 设计原理和方法： 采用变址寻址的方法设计模型机，使用微程序控制器实现指令执行和数据处理，通过设计实验验证模型机的正确性和性能。 3. 微程序设计：设计微程序流程图，描述微程序的结构和执行过程，包括微指令格式、微指令执行和数据处理等。 实验步骤： 1. 连接线路图，打开电源。 2. 选择联机软件的“[转储] - [装载]”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。 3. 选择联机软件的“[转储] - [刷新指令区]”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，重新写入。 4. 进入软件界面，选择菜单命令“[实验]- [复杂模型机]”，打开复杂模型机实验数据通路图，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序。 5. 按动 CON 单元的总清按钮 CLR，然后通过软件运行程序，当模型机执行完 OUT 指令后，检查 OUT 单元显示的数是否正确。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。 结论： 本设计报告书通过设计实验，掌握了计算机组成原理的基本知识和技能，包括微程序控制器的组成原理、模型机设计的基本方法和变址寻址的应用等，强化了设计能力和实验动手能力，为计算机科学和技术的学习和研究提供了有价值的经验和参考。

源文件＋报告

【计算机组成原理实验】单周期cpu的实现_源码文件,平台：vivado single_cycle_cpu.rar

使用 Logisim 来创建一个16-位单时钟周期 CPU。 制作一个寄存器组(也称寄存器文件)模块(组件)。 制作一个 ALU,该 ALU 暂时可以仅实现 ADD,SUB,AND,OR 四种运算 制作一个下一条指令的逻辑,即 PC(程序计数寄存器)的逻辑 CPU 包括以下器件: 1)寄存器文件 2)PC 寄存器及每时钟周期 PC+1 的逻辑(需要认真阅读一下后面的说明) 3)ALU 4)指令内存(为了简单，建议你使用系统提供的 ROM，而不是 RAM)

头哥-计算机组成原理实验实验一-logisim：4位快速加法器，circ文件，可以用logisim打开，也可用记事本打开。

在模拟器上实现在任意访存块地址流下Cache存储器的存储过程，并求出命中率 要求如下： 1．Cache—主存：映像方式要实现全相联、直接映象、组相联方式三种方式，并选择每一种映像方式下输出结果；替换算法一般使用LRU算法。 3．求出命中率；显示替换的全过程；