北京工业大学课程设计：Verilog实现多周期处理器开发

在本课程设计中，学生需要运用Verilog硬件描述语言来开发一个遵循MIPS-Lite2指令集的多周期处理器。MIPS-Lite2指令集是基于MIPS架构的一个简化版本，其指令集扩展了MIPS-Lite1，加入了对加载字节（lb）、存储字节（sb）指令的支持。 1. **MIPS-Lite2指令集解析** - **MIPS-Lite1指令集包含的基本指令**有：addu（无符号加法）、subu（无符号减法）、ori（或立即数）、lw（加载字）、sw（存储字）、beq（分支相等）、j（跳转）、lui（加载上立即数）、addi（立即数加法）、addiu（无符号立即数加法）、slt（设置小于立即数）、jal（跳转并链接）、jr（寄存器跳转）。 - **MIPS-Lite2指令集在MIPS-Lite1基础上增加的指令**是：lb（加载字节）、sb（存储字节）。 - 特别注意，指令addi在本设计中还需要支持溢出检测，若发生溢出，相应的溢出标志会被写入寄存器$30的第0位。 2. **多周期处理器设计** - **多周期处理器**是一种处理器设计方法，其中每个指令的执行被分解为多个周期，每个周期完成一部分操作。这种方式允许处理器在一个周期内完成更复杂的操作，而不是像单周期处理器那样每个时钟周期只完成一个非常简单的操作。 - 设计要求包含两个主要组成部分：**数据通路(data path)**和**控制器(controller)**。 3. **数据通路(data path)构成** - **PC (程序计数器)**：它用于存储下一条要执行的指令地址。 - **NPC (NextPC 计算单元)**：用于计算下一条指令的地址，这通常涉及到PC的值加上一个偏移量或是在发生跳转时的特定计算。 - **GPR (通用寄存器组)**：它被称作寄存器文件或寄存器堆，用于存储CPU的寄存器，其中$30用于存储溢出标志。 - **ALU (算术逻辑单元)**：用于执行各种算术和逻辑运算。 - **EXT (扩展单元)**：用于对立即数字段进行符号扩展或零扩展。 - **IM (指令存储器)**：容量为1KB，用于存储指令。 - **DM (数据存储器)**：同样容量为1KB，用于存储数据，采用小端序方式存取数据。 4. **课程设计要求与架构图参考** - 在开发多周期处理器时，学生应依据数据通路架构图来设计和构建模块，并确保它们能够正确地协同工作，以实现处理器功能。 - 虽然提供的Figure1架构图可能不完全正确或不满足MIPS-Lite2的所有要求，但它可以作为设计参考，并鼓励学生在此基础上进行功能的合理划分和必要的调整。 5. **Verilog语言的应用** - 学生需要使用Verilog HDL语言来描述处理器的各个模块，并模拟其行为和功能。 - Verilog是一种广泛使用的硬件描述语言，它允许工程师通过代码来定义和模拟电子系统的结构和行为。 通过这项课程设计，学生不仅能够深入了解计算机处理器的工作原理，而且能够掌握使用硬件描述语言来设计和实现复杂的数字逻辑系统的能力。这对于未来想要在硬件设计、集成电路设计或系统架构等IT领域深造的学生来说是一项宝贵的经历。