流水线CPU设计与实验：理解与解决停机问题

实验五：Pipelined CPU with Stalls 本实验旨在通过构建和分析一个五级流水线的CPU架构，帮助学生深入理解流水线处理器的基本原理和组织结构。流水线CPU的核心理念在于将一条指令的执行过程分解成多个阶段，通过时间分片，使得各个功能部件能够并行工作，从而提高整体的执行效率。 首先，实验的主要目的是让学生掌握： 1. 流水线CPU的工作原理，包括取指(IF)、指令解码(ID)、执行(EX)、内存访问(MEM)以及写回(WB)五个阶段的具体流程。 2. 学习如何处理数据冒险（Data Hazards）和控制冒险（Control Hazards），通过插入无操作(NOP)指令来解决这些潜在的问题。 3. 理解流水线CPU停机的原因和解决策略，这包括了解流水线中的阻塞和流水线完整性问题。 实验所需的设备包括高性能计算机（如Intel Core i7，32GB RAM）运行Windows 10操作系统，以及专业的开发板 Sword 4.0 和 VIVADO 2020工具包，用于硬件设计和验证。 实验过程中，学生会亲自动手设计和实现一个非标准的单周期流水线，通过修改datapath和controller模块，将其扩展为五段流水线。每一段都执行特定的功能，如IF段负责取指令和确定下一条指令的地址，ID段进行指令解码，EX段执行算术逻辑运算和数据处理，MEM段处理数据加载和存储操作，而WB段则负责结果的写回。 为了保持流水线的连续性，需要在各阶段之间设置寄存器来存储必要的中间状态，例如PC、指令信息以及ALU的计算结果。不同类型的指令会在这些阶段有不同的处理方式，这要求学生对指令的特性和执行顺序有清晰的认识。 此外，实验还会涉及流水线中的冒险情况，包括结构冒险、数据冒险和控制冒险。学生需要学会识别这些情况，并采取适当的措施，如插入NOP指令，以避免流水线停滞和性能损失。 这个实验提供了一个实战平台，让学生不仅理论联系实际，还锻炼了他们分析问题、解决问题的能力，对计算机组成与设计课程的学习有着重要意义。