实验五——单周期MIPS处理器的设计与实现1

实验五——单周期MIPS处理器的设计与实现1主要涵盖了MIPS处理器的基础知识，单周期处理器的设计方法以及如何通过增量方式实现这一处理器。该实验旨在帮助学生熟悉MIPS处理器的常用指令集，掌握单周期处理器的数据通路和控制单元设计，以及进行功能验证。 MIPS处理器是一种流行的精简指令集计算机（RISC）架构，具有简洁高效的特点。在实验中，学生需要掌握至少10条MIPS指令，例如 lw（load word，从内存加载数据到寄存器）、sw（store word，将寄存器数据存储到内存）、lui（load upper immediate，加载立即数的高16位）、ori（or immediate，或操作立即数）、addiu（add immediate unsigned，无符号加立即数）、addu（add unsigned，无符号加法）、slt（set less than，设置小于标志）、beq（branch if equal，等于则跳转）、bne（branch if not equal，不等于则跳转）和j（jump，无条件跳转）。 单周期处理器设计中，数据通路是处理器的核心部分，它处理指令和数据，包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器、存储器访问等。控制单元则负责解读当前指令，生成必要的控制信号以驱动数据通路。在这个实验中，数据通路采用32位宽度，以匹配MIPS的32位指令集。寄存器文件由32个32位寄存器构成，支持异步读/同步写操作。指令存储器和数据存储器分别使用ROM和RAM，前者异步读取指令，后者则采用异步读/同步写模式。 实验环境包括Windows 10或Ubuntu 16.04操作系统，以及Xilinx Vivado 2018.2开发工具，利用FPGA（现场可编程门阵列）硬件云平台进行实际实现。在设计过程中，学生需要按照增量方式进行，这意味着他们将逐步完善处理器的设计，从基础组件开始，如程序计数器（PC）、寄存器文件、指令存储器和数据存储器，然后添加必要的组合逻辑来实现指令解码和执行。 实验内容包括设计一个名为MiniMIPS32的处理器，它具备32位数据通路，小端模式，支持上述10条MIPS指令。处理器的寄存器文件遵循异步读/同步写模式，且采用哈佛结构，即独立的指令存储器和数据存储器，指令存储器用ROM实现，数据存储器用RAM实现。设计的顶层模块MiniMIPS32_SYS连接了各个子模块，包括输入输出端口，以实现与外部存储器的通信。 这个实验是一个全面的实践项目，涵盖了处理器设计的多个关键方面，包括硬件描述语言（如SystemVerilog HDL）、微体系结构和逻辑控制，旨在深化学生对MIPS处理器工作原理的理解，并提升他们在FPGA开发中的技能。通过这个实验，学生将能够亲手构建一个基本的MIPS处理器，并通过测试用例验证其正确性。