【计算机组成原理课程设计任务书 2019-2-18修订版1】
计算机组成原理是一门关键的计算机专业课程，旨在培养学生的现代计算机系统设计能力，强调软硬件的关联与协同，并以CPU设计为核心。课程设计是理论学习与单元实验的综合运用，学生需设计一个能在LOGISIM仿真平台和FPGA实验平台上运行的简单计算机系统，通过执行存储在主存中的程序来验证其正确性。
本次课程设计的任务是设计一个五段流水线CPU。五段流水线包括取指(IF)、译码(DEC)、执行(EXE)、访存(MEM)和写回(WB)五个阶段。设计的CPU需要支持自动和单步运行模式，能够实时显示数据流和控制流，便于监控和调试。同时，CPU应支持32位MIPS指令集，其中包括基础指令和扩展指令。基础指令涵盖了加法、立即数加法、无符号加法、与、立即数与、逻辑左移、算术右移、逻辑右移、减法、或、立即数或、或非、加载字、存字、相等跳转、不相等跳转、小于置数、无条件转移、转移并链接、转移到指定寄存器、系统调用等多种操作。扩展指令集则包含逻辑可变左移、逻辑可变右移、算术可变右移、无符号减法、异或、异或立即数、立即数加载至高位、小于立即数置1（无符号）、乘无符号、无符号除运算、读LO寄存器、加载字节、加载字节（无符号）、加载半字、加载半字（无符号）、存储字节、存储半字、小于等于0转移、大于0转移、小于0转移、大于等于0转移等。
在技术指标上，CPU需支持多级嵌套中断，利用中断触发扩展指令集测试程序。此外，CPU需具备处理数据冒险、结构冒险、分支冒险的能力，能运行涵盖所有指令的测试程序，且能自动统计执行周期数、无条件分支指令数目、条件分支成功次数、插入气泡数目、load-use冲突次数，以及动态分支预测流水线的预测成功与失败次数。
设计过程中，学生需按照指导书要求制定方案，分析指令系统格式和功能，构建基本功能部件和数据通路，设计控制信号和硬布线控制器，进行调试、数据分析和验收检查。完成课程设计报告和总结。
课程设计的成绩评定将综合考虑设计过程、效果、报告和图纸质量，分为不及格、及格、中、良好、优秀五个等级。设计过程和结果占70%，报告和图纸部分占30%。扩展功能或独特设计将对成绩评定产生积极影响。
在实施过程中，学生不仅要掌握计算机组成原理的基本概念，还要熟悉FPGA的使用，了解流水线设计的挑战和解决方法，以及如何通过硬件描述语言实现控制器。此外，理解和应用MIPS指令集，进行错误检测和调试，以及编写清晰的报告，都是评价学生能力的重要方面。
