MIPS流水线CPU设计：华科组成原理课程实践

"华中科技大学计算机组成原理课程设计项目，主要内容涉及设计一个基于MIPS架构的流水线CPU。" 在本次课程设计中，学生被要求掌握硬件描述语言（HDL）和开发环境，如Xilinx ISE 14.2，以及Spartan3E实验板的使用。设计的目标是构建一个支持流水线的32位计算机系统，能够正确执行存储在指令缓存中的MIPS指令集。设计者需遵循MIPS架构的基本原则，确保设计的CPU与标准MIPS指令集尽可能兼容。 设计原理部分介绍了MIPS架构。MIPS是一种精简指令集计算机（RISC）架构，以其高效和优雅的流水线设计闻名。它通过软件策略来解决流水线中的数据相关问题，避免内部互锁，从而提高处理器性能。该架构在80年代由斯坦福大学研发，后来演变为MIPS公司的产品线，被广泛应用于工作站和计算机系统。 设计内容分为以下几个阶段： 1. 指令选取：选择并定义一套至少包含10条指令的子集，涵盖算术运算、逻辑运算、存储器访问和寄存器数据传输等功能。 2. 非流水线5段CPU模型：首先建立一个基础的非流水线CPU模型，以理解每个阶段的工作原理。 3. 流水线5段CPU模型：在非流水线模型的基础上，构建一个五级流水线结构，包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、内存访问（MEM）和写回（WB）五个阶段。 实现内容与测试结果部分详细阐述了各个模块的功能，如控制信号的生成、指令操作流程、状态转换图、引脚绑定方案，以及用于验证设计功能的测试程序和仿真结果。通过这些测试，验证了设计的CPU能够正确地执行预定义的指令序列，完成预期的功能。 课程设计的总结部分，学生反思了在设计过程中遇到的问题，如数据相关性和时钟同步等挑战，分享了设计经验，表达了对计算机系统设计的理解和感悟，还明确了团队成员各自的分工。 这个项目不仅锻炼了学生的硬件设计技能，也提升了他们对计算机底层工作原理的理解，特别是流水线技术的应用，以及如何通过HDL实现一个简单的计算机系统。通过这样的实践，学生将更好地准备应对实际的工程问题和挑战。