单周期MIPS处理器设计与实现

"本次实验是关于单周期MIPS处理器的设计与实现，由任野坤完成，指导教师为邢建国。实验旨在让学生理解并掌握单周期MIPS处理器的工作原理、实现方式以及指令与处理器的关联，并学会如何测试处理器的正确性。实验内容包括设计一个能够执行特定指令集的单周期MIPSCPU，这些指令涵盖算术运算、逻辑运算、移位和比较，以及存储器读写和分支操作。" 在单周期MIPS处理器的设计中，数据流图(Datapath)是一个关键部分，它描述了处理器内部各个组件如寄存器、算术逻辑单元(ALU)、控制单元等之间的数据流动和操作顺序。实验者需要理解和构建这样一个数据流图，以确保处理器能够按照预定步骤执行指令。 实验的焦点在于代码实现，即用硬件描述语言(HDL)如VHDL或Verilog来模拟和实现单周期MIPS处理器。例如，指令译码阶段(ID)，在这个阶段，处理器会解析指令并决定接下来要执行的操作。在给出的指令集中，`addrd, rs, rt`指令用于将寄存器`rs`和`rt`的值相加，结果存入`rd`寄存器。`addirt, rs, immediate`则是将`rs`与立即数扩展后的`immediate`相加，结果存入`rt`。`subrd, rs, rt`指令执行减法操作，`orirt, rs, immediate`、`andrd, rs, rt`和`orrd, rs, rt`分别执行逻辑或、逻辑与和逻辑或操作。移位指令如`sllrd, rt, sa`将`rt`左移`sa`位，而`sltrd, rs, rt`进行带符号的比较，如果`rs`小于`rt`则`rd`设为1，否则设为0。 存储器读/写指令`swrt, immediate(rs)`和`lwrt, immediate(rs)`涉及到内存访问。前者将`rt`寄存器的值存储到地址为`rs + (sign-extend)immediate`的地方，后者从该地址读取数据并放入`rt`寄存器。分支指令`beqrs, rt, Immediate`实现条件跳转，当`rs`等于`rt`时，程序计数器(PC)会根据`Immediate`更新，实现分支。 测试单周期MIPS处理器的方法通常包括编写测试程序，该程序包含各种类型的指令，通过检查处理器执行后寄存器和内存的状态来验证其正确性。此外，还可以使用仿真工具对设计进行模拟运行，观察其行为是否符合预期。 这个实验不仅锻炼了学生在硬件层面理解和实现处理器的能力，也加深了他们对计算机体系结构中指令集和处理器之间关系的理解。通过这样的实践，学生能够更好地掌握计算机系统的基础工作原理。