MIPS五段流水CPU FPGA实现与实验指导

"本课程设计指南主要关注MIPS五段流水CPU的设计与实现在FPGA开发板上的应用，特别是N4-DDR FPGA开发板。实验旨在让学生熟悉FPGA开发板的使用，能够将设计的单周期CPU移植并运行在硬件平台上。实验内容包括CPU的各个组件，如运算器、寄存器文件、存储系统等，并要求支持多种显示和频率切换功能，以及总复位按钮。实验步骤涉及选择最佳设计方案，用硬件描述语言实现各个功能部件，并进行团队协作。" 在本次课程设计中，学生们将深入学习和实践MIPS架构的CPU设计。MIPS是一种精简指令集计算机（RISC）架构，广泛应用于教学和嵌入式系统。实验的第一部分，即MIPSCPU上板实验，是让学生掌握N4-DDR FPGA开发板的运用，将课堂上设计的32位单周期CPU移植到该硬件平台上。这个CPU支持超过20条基础指令，以及扩展指令集中的C类、M类和B类指令。 实验内容不仅限于CPU的基本构造，还包括了各种附加功能的实现。例如，为了在FPGA开发板上显示输出，需要利用8个八段数码管，通过拨码开关实现显示内容的切换，包括数据输出、内存地址值、程序计数器（PC）值、时钟周期数和其他运行参数的观察。此外，还要求有频率切换功能，确保与Logisim平台上的显示效果一致。总复位按钮的设置使得在任何时候按下，系统都能复位，所有寄存器和存储器值归零，从程序的起始地址重新执行。 实验步骤详细列出了从选择最佳设计方案开始，到各个功能部件的实现过程。这包括但不限于运算器（ALU）、指令存储器、程序计数器、寄存器文件、数据存储器、数据位扩展器、多路选择器、运行参数统计模块、分频模块、显示模块、LED指示、开关切换模块和十六进制转十进制显示模块的硬件描述语言实现。团队成员分工合作，每个成员可能负责1至3个模块的实现，以提高效率。 通过这个实验，学生不仅会掌握FPGA开发的基本技能，还能深入理解CPU设计的复杂性，以及如何将逻辑设计转化为实际硬件实现。这种实践经验对于理解和应用数字电子技术，尤其是嵌入式系统设计来说，是非常宝贵的。