掌握多周期CPU设计：实验实现MIPS指令与编译器

本实验旨在通过设计一个多周期CPU，让学生深入理解并掌握多周期数据通路原理和CPU的实现方法。以下是实验的核心知识点： 1. **实验目的**： - 学生将通过实验学习多周期CPU的基本原理，包括数据通路如何通过多个时钟周期处理指令，提高处理器性能。 - 实践性目标包括编写一个MIPS汇编语言编译器，将汇编程序转换成二进制机器码，这将涉及到指令集的翻译和优化。 - 学习多周期CPU的设计策略，包括不同指令的执行流程，如算术运算、逻辑运算、移位操作以及比较指令的处理。 - 学习测试多周期CPU的方法，确保其正确性和效率。 2. **实验内容**： - 设计一个基本的CPU架构，包含算术逻辑单元（ALU），寄存器组，以及控制单元等核心组件。 - 实现指定的MIPS指令集，如： - 算术运算指令：add (加法)、sub (减法)、addi (立即数加法)。 - 逻辑运算指令：or (按位或)、and (按位与)、ori (按位或带符号扩展)。 - 移位指令：sllrd (左移带符号扩展)。 - 比较指令：slt (带符号数比较) 和 slti (立即数与带符号数比较)。 - 了解零扩展(zero-extension)和符号扩展(sign-extension)在指令执行中的作用。 - 编写指令解码器和执行流水线，确保指令能在多个时钟周期内完成处理。 3. **实验技巧与挑战**： - 学生需要理解不同指令的微程序设计，以及如何在有限的硬件资源下合理安排指令执行顺序。 - 需要注意指令间的依赖关系，避免数据冒险和控制冒险，确保流水线的顺畅运行。 - 测试部分需要编写测试用例，验证CPU的正确性和性能，可能涉及分支预测和异常处理机制的实现。 4. **成果评估**： 实验成果将主要根据CPU设计文档的完整性，指令集实现的正确性，编译器的功能以及对多周期CPU性能提升的理解来评估。 本实验是一次系统性的实践过程，它要求学生将理论知识应用到实际设计中，通过编写多周期CPU，深入理解计算机硬件的工作原理，并能够灵活运用指令集结构进行编程和优化。