合肥工业大学系统硬件综合设计，计算机组成原理CPU课设，多周期，modelsim

在本项目中，你将参与实现一款基于合肥工业大学系统硬件综合设计课程的计算机组成原理实践，专注于构建一个多周期CPU，该CPU是针对MIPS架构设计的，并且将使用Modelsim进行仿真验证。以下是对这个任务的详细解释和相关知识点： 1. **MIPS架构**：MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算（RISC）架构，以其简单的管道设计和高效的性能而闻名。MIPS指令集通常包括数据操作、跳转、加载/存储和控制指令等。 2. **五级流水线**：CPU的流水线技术通过将指令执行过程划分为取指、译码、执行、访存和写回五个阶段，使得每个阶段可以并行处理不同的指令，从而提高执行效率。五级流水线意味着每个时钟周期内可以处理一条指令的一个阶段。 3. **指令集**：项目要求支持28条特定的MIPS指令，这可能包括加法、减法、逻辑操作、分支、跳转、加载和存储等基本指令。你需要为每种指令设计对应的硬件电路和微操作流程。 4. **数据相关冲突**：在执行指令序列时，如果前一条指令的结果被后一条指令用作操作数，就可能发生数据相关。解决这类冲突的方法有 forwarding（转发）和stall（停顿），通过这两种机制来避免或减少流水线的阻塞。 5. **分支延迟**：在遇到分支指令时，由于需要等待分支目标地址确定，会导致流水线空转。为了缓解这种延迟，可以采用动态分支预测或静态分支预测技术，如二进制计数器、分支目标缓冲器（BTB）等。 6. **模型仿真器**：Modelsim是一款强大的硬件描述语言（HDL）仿真工具，支持VHDL和Verilog。在设计过程中，你将利用Modelsim对你的CPU设计进行功能验证，检查其是否能正确执行MIPS指令集，并处理各种异常情况。 7. **硬件描述语言**：设计CPU通常涉及使用VHDL或Verilog编写代码，它们是描述数字逻辑系统的标准语言。你需要使用其中一种语言来定义每个阶段的逻辑功能，以及它们之间的接口。 8. **设计流程**：CPU设计通常包括逻辑设计、时序分析、优化和验证等步骤。你需要使用逻辑门级库（如74系列或其他FPGA/CPLD库）进行逻辑设计，并考虑时钟周期、触发器同步等问题。 9. **测试向量**：为了确保CPU设计的正确性，你需要编写一组测试向量，这些向量包含了各种指令组合和边界条件，以覆盖所有可能的执行路径。 10. **综合与实现**：设计完成后，需要使用硬件综合工具（如Synopsys的Design Compiler或Xilinx的Vivado）将逻辑描述转换为实际的FPGA或ASIC布局布线。 在完成这个项目的过程中，你将深入理解CPU的工作原理、流水线设计、数据和控制流的管理，以及硬件描述语言的应用。这不仅有助于提升你的硬件设计能力，也为未来在计算机系统领域的进一步研究奠定了坚实的基础。