五段流水线CPU设计：基于FPGA的计算机系统实践

"计算机组成原理课程设计任务书 2019-2-18修订版1" 在计算机组成原理课程设计中，学生被要求设计一个5段流水线CPU，这是一个基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的项目，旨在提升学生的计算机系统设计与实现能力。设计的目标是创建一个能够支持自动和单步运行模式的CPU，它需要能正确执行存储在内存中的程序，并通过LED和数码管等设备实时显示数据流和控制流，以便于监控和调试。 设计的CPU必须支持32位的MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）指令集，这是计算机体系结构中常用的一种精简指令集。此外，还需要扩展指令集，包括2条C类运算指令、1条M类存储指令和1条B类分支指令。扩展指令集的具体任务可能因学生而异，由指导教师分配。CPU还需要具备多级嵌套中断处理能力，这允许在处理高优先级中断时保存和恢复低优先级中断的状态。 为了实现高效的执行，CPU将采用5段流水线机制，包括取指(IF)、译码(DEC)、执行(EXE)、访存(MEM)和写回(WB)五个阶段。这种设计旨在减少指令间的等待时间，提高处理器的吞吐量。然而，流水线中可能存在数据冒险、结构冒险和分支冒险等问题，需要设计相应的解决方案，如转发和分支预测，以确保流水线的连续运行。 此外，CPU需要能够运行特定的测试程序，包括自定义指令系统和教师提供的标准测试程序，以验证其正确性和功能完备性。测试指标包括执行周期数、分支指令统计、load-use冲突检测以及动态分支预测的准确率等，这些都反映了CPU性能的关键指标。 在设计过程中，学生需要首先理解指令系统格式和功能，然后构建基本功能部件，如寄存器、算术逻辑单元（ALU）等。接着，分析控制信号需求，设计出硬布线控制器以生成正确的控制信号序列，协调各个部件的工作。最后，使用EDA软件或仿真软件进行功能验证，确保整个系统在逻辑上是正确的。 这个课程设计项目不仅考验学生对计算机硬件的理解，还要求他们具备一定的软件设计和调试技能，通过实践提升其分析问题和解决问题的能力。