MIPS微处理器仿真设计与执行流程解析

"该实验是关于MIPS微处理器仿真的，使用Windows 10操作系统，Xilinx Vivado 2018.3作为开发工具，以及Mars 4_5来导出机器码。实验目标包括理解MIPS数据通路、实现方法、指令与处理器的关系，以及测试处理器的方法。实验内容涉及设计一个简单的单周期MIPS微处理器，执行特定的MIPS汇编程序。处理器设计方案中，每条指令在一个时钟周期内完成，遵循取指令、指令译码、执行、存储器操作和结果返回的流程。" 在本次实验中，参与者需要设计并实现一个基于MIPS简单指令集的微处理器。这个处理器需要使用Verilog硬件描述语言编写，并且具备在时钟上升沿读取指令、在时钟下降沿完成寄存器文件写入、数据存储器写入以及指令指针修改的能力。设计要求包括对所有通用寄存器的初始化，以及数据存储器和指令存储器的容量和地址规则。实验提供了一个MIPS汇编语言程序段，用于测试处理器的功能，包括加法、加载、存储、减法、按位或、按位与、小于比较、分支指令等。 实验的主要目标是让学习者掌握以下几个方面： 1. 理解MIPS微处理器的数据通路结构和工作原理，这涉及到指令如何从内存读取、解码，然后在数据通路上执行，最终将结果存储回寄存器或内存。 2. 学习使用Verilog进行硬件描述，实现简单指令集的MIPS处理器，这涉及到编程逻辑门级的抽象，以实现处理器的各个组件。 3. 明白指令与处理器执行过程之间的关系，了解指令如何被解释并转化为具体的硬件操作。 4. 掌握如何测试和验证MIPS处理器的功能，确保其能正确执行给定的MIPS汇编程序。 5. 实践单周期处理器的设计，这种处理器在一个时钟周期内完成一条指令，简化了硬件实现，但可能牺牲了性能。 实验环境包括Windows 10操作系统，利用Xilinx Vivado 2018.3进行硬件设计和仿真，以及Mars 4_5工具来处理MIPS指令的机器码。实验流程包括设计、代码实现、模块功能仿真、整体仿真和指令执行验证。通过这个实验，学习者可以深入理解计算机体系结构，特别是处理器的内部运作机制，以及如何通过硬件描述语言实现这些概念。