VerilogHDL实现31条MIPS指令单周期CPU设计

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"31指令CPU实验指导书1" 该实验是关于使用Verilog HDL语言设计和实现一个包含31条MIPS指令的单周期CPU。实验的主要目的是让参与者深入理解CPU的工作原理,绘制出实现这31条指令的CPU数据通路图,并掌握Verilog HDL编程技巧。实验环境基于Mars,一个MIPS架构的模拟器,CPU遵循冯诺依曼结构,但设计时需考虑哈佛结构,即指令和数据存储的独立性。 实验的具体步骤包括: 1. **理解指令**:对每一条MIPS指令的功能和执行过程有透彻的理解,例如ADDU和SUBU等基本运算指令。 2. **确定部件**:识别每条指令执行时需要用到的硬件部件,如PC(程序计数器)、IM(指令存储器)、RF(寄存器文件)和ALU(算术逻辑单元)。 3. **绘制数据通路**:通过表格记录每条指令下各个部件的数据来源,然后依据这些信息构建整个数据通路图。例如,ADDU指令需要从PC获取地址,从指令存储器读取指令,从寄存器文件获取操作数,通过ALU进行加法运算,然后将结果写回寄存器。 4. **地址映射**:由于Mars的默认内存配置,指令和数据的逻辑地址需要转换成物理地址0。因此,必须在PC模块、指令存储模块和数据存储模块进行地址映射。 5. **实现单周期数据通路**:在单周期CPU中,指令执行是连续的,不会出现分支延迟等问题。对于BEQ和J这样的跳转指令,无需处理延迟槽。 实验中提到的31条MIPS指令包括但不限于ADDU、SUBU、ORI、SLL、LW、SW、BEQ和J。这些指令涵盖了基本的算术运算、位操作、加载/存储数据以及条件和无条件跳转。通过实际操作,学生能够掌握如何使用Verilog HDL语言实现这些指令的硬件逻辑。 在实验过程中,学生将深化对CPU结构的理解,学会如何设计和仿真硬件系统,同时增强他们的逻辑分析和问题解决能力。这是一项对计算机体系结构和数字逻辑设计基础的实践性强化训练。