系统硬件综合设计 - 多周期CPU的设计与实现
本文档详细介绍了在数字逻辑与计算机系统原理的学习实践中，如何设计和实现一个多周期CPU。该CPU设计旨在加深对MIPS架构理解，覆盖从逻辑门基础到复杂CPU处理器设计的全过程。实现过程包括硬件描述语言（如Verilog）的编码，以及最终在FPGA上的部署验证。
实验背景与目标
此项目面向计算机科学专业的学生，目的是让学生掌握多周期数据通路的基本原理及设计技巧。通过此实验，学习者需理解CPU的各个关键组成部分，如ALU、寄存器堆、程序计数器（PC）等，并能够实现包括算术逻辑运算、控制流调整和内存访问在内的MIPS指令子集。
主要内容
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设计原则：采用分阶段（取指、译码、执行、访存、回写）的多周期执行模型，确保每条指令在一个或多个时钟周期内完成。
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指令集：涵盖加法、减法、逻辑运算、移位、比较、分支、跳转、子程序调用及停止指令，支持基本的程序流程控制和数据处理。
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模块化实现：项目拆分成14个功能模块，包括但不限于PC管理、指令内存读取、指令寄存器、控制单元、寄存器文件、ALU等，体现了专业化和解耦合的设计理念。
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控制信号与状态转换：通过控制单元生成精确的控制信号，引导CPU状态机在不同阶段间正确转换，保证指令执行顺序和效果。
使用指南
- 阅读理解：首先理解每一部分的设计思路和目标，特别是控制单元和数据通路的交互逻辑。
- Verilog编程：利用提供的描述和示例代码，完成各模块的Verilog HDL实现。
- 仿真验证：通过软件仿真验证设计功能，确保所有指令正确执行。
- FPGA集成：将验证无误的设计烧录到FPGA中，实现实时硬件运行。
注意事项
- 在实际编码过程中，注意信号同步和时序问题，避免竞争冒险。
- 测试覆盖要全面，确保每种指令都能正确执行，并且边界情况被妥善处理。
本资源包包含详尽的设计文档、Verilog代码示例和必要的仿真测试文件，是学习多周期CPU设计不可多得的实践材料。通过本项目，学习者不仅能深化理论知识，还能提升解决实际硬件设计问题的能力。