张永康-MIPS流水线CPU设计与实现1

【MIPS流水线CPU设计与实现】实验是计算机科学与技术专业的重要实践环节，旨在让学生深入理解现代处理器的工作原理，特别是MIPS架构的指令执行流程。通过设计与实现单周期和流水线MIPS处理器，学生可以掌握处理器设计的关键技术。 1. **实验目的** - **理解MIPS指令集**：实验要求学生分析指令在流水线中的执行过程，以理解MIPS指令集中的不同指令类型，如R型、I型、J型等，以及它们的功能和实现细节。 - **掌握流水线技术**：学习如何构建和优化处理器流水线，包括取指、译码、执行、写回等多个阶段，理解流水线带来的性能提升和可能遇到的问题。 - **处理数据相关性**：通过加入全旁路（Data Bypassing）机制，解决RAW（Read After Write）类型的数据相关性问题，保证流水线的正确执行。 - **解决控制冒险**：预测分支总不发生（Predict Not Taken）、ID级判定分支、ID级和EX级加入全旁路技术用于解决由于分支指令导致的控制冒险，提高处理器效率。 2. **实验环境** - **Verilog HDL**：使用硬件描述语言Verilog进行逻辑设计，它是数字电路设计的标准语言，能够描述处理器的逻辑功能。 - **ModelSim**：由Mentor Graphics公司提供的仿真软件，用于验证Verilog代码的功能正确性，能模拟处理器在不同情况下的行为。 - **MARS**：MIPS Assembler and Runtime Simulator，为MIPS指令集提供了一个模拟环境，可以编译、执行MIPS汇编代码，作为参考结果。 3. **硬件设计** - **CPU总体结构**：CPU通常包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、内存访问（MEM）和写回（WB）等五个基本阶段，流水线设计需要考虑如何在这些阶段之间有效地传递和处理信息。 - **IF/ID寄存器**：负责从存储器中取出指令并进行初步解码，为后续阶段提供必要的信息。 - **ID/EX寄存器**：在译码阶段进一步处理指令，并为执行阶段准备操作数，同时判断是否有分支操作并预测其结果。 实验过程中，学生还需要进行功能仿真，比较ModelSim的结果与MARS软件的预期结果，确保设计的正确性。通过下载到FPGA开发板实际运行，验证处理器在真实硬件上的表现，进一步确认设计的完整性和有效性。 这个实验涵盖了处理器设计的基础理论和实践技巧，对于培养学生的系统级思维和动手能力具有重要意义。通过这样的训练，学生能够更深入地理解计算机系统的底层运作，为后续的学习和研究打下坚实基础。