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旨在让学生运用所学理论知识，设计并实现一个基于FPGA的5段流水线CPU。该CPU需支持32位MIPS指令集，具备扩展指令集，包括C类运算、M类存储、B类分支指令，并能处理各种冒险情况。此外，系统需具有多级中断处理、流水线机制和监控功能，如统计执行周期、分支情况等。设计过程中，学生需要分析指令系统、构建数据通路、设计控制信号及硬布线控制器。" 在计算机组成原理课程设计中，学生面临的主要任务是设计一个5段流水线CPU。这种CPU设计的核心在于实现流水线技术，以提高处理器的性能。流水线技术将CPU的运算过程分为取指、译码、执行、访存和写回五个阶段，使得每个阶段可以同时处理不同指令的不同部分，从而提升指令执行效率。 设计的目标是创建一个基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的简单计算机系统，该系统应支持自动和单步运行模式，能够正确执行存储在内存中的程序。系统还需要具备故障分析与定位、系统调试功能，这通常通过LED、数码管等设备实时显示数据流和控制流来实现。为了确保设计的正确性，需要利用EDA（Electronic Design Automation）软件或仿真软件进行模型机系统部件的仿真分析和功能验证。 技术指标方面，CPU必须支持32位MIPS指令集，这是计算机系统设计中常见的指令集架构。此外，还需要扩展指令集，其中包括特定数量的C类运算、M类存储和B类分支指令。设计还要求支持多级嵌套中断，以便处理并发事件。对于流水线机制，必须能够处理数据冒险（Data Hazard）、结构冒险（Structural Hazard）和分支冒险（Branch Hazard），这是流水线中常见的问题，需要通过预测和恢复机制来解决。 系统设计要求包括制定设计方案、分析指令系统格式和功能，构建数据通路，如ALU（算术逻辑单元）、寄存器、控制单元等。同时，学生需要确定所需的各种控制信号及其有效形式，并设计硬布线控制器来生成这些控制信号，以协调整个CPU的操作。 总结起来，这个课程设计项目不仅考察学生对计算机组成原理的理解，还强调了软硬件协同设计和实际操作技能，有助于提升学生在计算机系统设计和实现方面的能力。