实验2单周期CPU取指译码实验指导书1

实验二的“单周期CPU取指译码”是计算机体系结构中的一个重要环节，主要涉及MIPS架构的CPU操作流程。MIPS CPU的传统执行流程包括五个阶段：取指(IF)、译码(DE)、执行(EXE)、访存(MEM)和回写(WB)。在本次实验中，我们将关注取指和译码阶段。 取指阶段由程序计数器(PC)执行，它随着每个时钟周期自动递增，输出地址和使能信号给指令存储器(Inst_Rom)。PC的输出地址用于读取指令存储器中相应位置的指令。如果选择了按字节使能，PC会递增4个字节来获取下一条指令，否则仅递增1个字节。 接下来是译码阶段，取出的指令需要被解码以确定其类型和操作。控制器是这一过程的关键，它通过生成各种控制信号来协调CPU的数据通路，确保指令正确执行。控制器主要由main_decoder和alu_decoder两部分组成，它们负责产生如Memtoreg、memwrite、pcsrc、alusrcreg、regdst、regwrite、jump等控制信号，这些信号对应于MIPS指令的不同操作。 实验设备包括一台PC机，一个计算机系统能力培养实践平台，如MINISYS定制开发板或Nexys4 DDR实验开发板，以及Xilinx Vivado开发套件。实验内容包括实现PC模块、Controller模块、Block Memory Generator IP核构建的指令存储器，以及将指令显示在7段数码管上的功能。此外，还需要通过仿真程序验证取指和译码阶段的正确性，使用时钟分频器调整时钟频率，并在顶层(top)将所有模块正确连接。 在实验原理图中，取指阶段的PC是一个32位寄存器，每执行完一条指令，其值加4以指向下一条指令。在指令译码阶段，MIPS指令的[31:16]字段是opcode，[5:0]字段是funct，这两者用于识别指令类型并生成相应的控制信号。例如，opcode为01表示R-type指令，funct字段可以进一步决定ALU的操作，如加法、减法、逻辑与、逻辑或等。 控制器实现原理涉及到多个控制信号的产生，例如Led[0]表示是否需要回写到寄存器堆，Led[1]表示是否需要写数据到存储器，Led[2]指示PC是否需要跳转，Led[3-4]用于立即数的32位扩展，Led[5-6]用于区分rt或rd寄存器，Led[7:9]则与ALU控制信号有关。 通过这个实验，学生将深入理解单周期CPU的工作原理，特别是控制器如何生成和协调控制信号，以及如何在硬件层面实现取指和译码的过程。这有助于他们对计算机底层运作的理解，为后续的学习打下坚实的基础。