MIPS R型指令CPU设计实验报告

"於文卓的实验8是关于实现R型指令的CPU设计，该实验在计算机科学与技术专业课程《计算机组成原理课程设计》中进行，由冯建文老师指导。实验的主要目的是掌握MIPSR型指令的数据通路设计，理解指令流和数据流的控制，以及学习如何设计一个完整的单周期CPU。实验要求学生在之前实验的基础上编写一个能执行8条特定R型指令的CPU模块，并编写测试指令的汇编程序，将其转化为二进制机器码，同时创建一个验证实验的顶层模块。" 在MIPS架构中，R型指令是最基本的指令类型，它们通常涉及到寄存器间的算术或逻辑运算。例如，`ADD`、`SUB`、`AND`、`OR`等都是R型指令，这些指令的操作数和结果都来源于或存放在寄存器中。实验中提到的ZFOF标志可能指的是零标志（Zero Flag）和溢出标志（Overflow Flag），它们是处理器状态寄存器的一部分，用于表示运算结果的状态。 数据通路设计是CPU设计的关键部分，它描述了数据在CPU内部如何流动和处理。在MIPSR型指令的实现中，数据通路包括了ALU（算术逻辑单元）、寄存器堆、控制单元以及各种数据和指令总线。ALU执行算术和逻辑运算，寄存器堆存储中间结果和指令操作数，控制单元根据指令译码结果生成微操作信号来协调整个系统的工作。 指令流和数据流的控制涉及到指令的读取、解码、执行以及结果的写回。在这个实验中，学生需要理解并实现这些流程，确保每个R型指令都能正确地按照其操作码和操作数执行相应的操作，并更新状态标志。例如，当执行`ADD`指令且结果为零时，会设置零标志；如果执行加法操作导致溢出，则会设置溢出标志。 实验的另一个重要部分是编写汇编程序和将其转换为机器码。汇编语言是人类可读的指令集，而机器码是CPU可以直接执行的二进制形式。通过实验六的汇编器，学生可以将汇编代码转化为机器码，并将这些二进制指令加载到指令存储器中。 最后，实验验证的顶层模块用于确认CPU设计的正确性。这通常包括模拟执行测试用例，观察和分析执行结果，确保所有指定的R型指令都能正确无误地完成计算任务。 这个实验旨在提升学生的硬件设计能力，使他们能够理解和实现CPU的核心功能，特别是针对R型指令的数据处理和控制流程。通过这样的实践，学生不仅能够加深对计算机体系结构的理解，也能锻炼他们的编程和问题解决技巧。