VerilogHDL实现31条MIPS指令单周期CPU设计

"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。