5. 多周期数据通路应必须包括PC、NPC、IM、DM这4个独立模块。其中：
a) IM：容量为4KB(32bit×1024字)。 b) DM：容量为4KB(32bit×1024字)。 6. 层次及模块实例化命名必须满足下列要求：
a) 本project的顶层设计文件命名：mips.v。 b) PC必须被实例化命名：U_PC。下面代码为示例。
pc U_PC(…) ; // 实例化PC(程序计数器)
c) 指令存储器必须被实例化命名：U_IM。 d) 数据存储器必须被实例化命名：U_DM。 e) 寄存器文件必须被实例化命名：U_RF。
7. 建议datapath中的每个module都由一个独立的VerilogHDL文件组成。
a) 建议所有mux（包括不同位数、不同端口数等）都建模在一个mux.v中。
可以有多个module。
8. 为使得代码更加清晰可读，建议多使用宏定义，并将宏定义组织在1个或多
个头文件中。
9. PC复位后初值为0x0000_3000，目的是与MARS的Memory Configuration
相配合。
a) 现场测试用的测试程序将通过MARS产生，其配置模式如Figure2所示。
Figure2 MIPS存储配置模式(MARS memory configuration)
10. 建议你用工程化方法来构造数据通路和状态机。具体内容请参见随project提
供的PPT。
a) 你初次接触工程化方法时可能不是非常理解其价值。但一旦当你运用这
个方法后(特别是在后续project中)，你会发现设计将被分为2个环节：真正意义上的设计和实现。
b) 设计：仅仅在表格中就可以完成，而无需在HDL这个层次进行。这一方
面避免了HDL的大量细节对设计的干扰，另一方面使得你的设计可以被追朔，从而更高效的开发和准确的发现错误。
c) 实现：当设计都完成后，可以一次性的完成HDL编码。这个编码仅仅是
对表格的翻译，对你的要求仅仅是掌握基本的HDL和认真细心。事实上，如果你是一个优秀的设计人员，你会发现完全可以开发一个软件来将你的设计自动的转化为HDL代码。
三、 模块定义【WORD】 11. 仿照下面给出的PC模块定义，给出所有功能部件的模块定义。 12. PC模块定义(参考样例) (1) 基本描述 PC主要功能是完成输出当前指令地址并保存下一条指令地址。复位后，PC指向0x0000_3000，此处为第一条指令的地址。 (2) 模块接口 信号名 NPC[31:2] PCWr clk Reset PC[31:2] 方向 I I I I O 下条指令的地址 PC写使能 1：允许NPC写入PC内部寄存器 0：禁止NPC写入PC内部寄存器 时钟信号 复位信号。 1：复位 0：无效 30位指令存储器地址(最低2位省略) 描述 批注 [GXP2]: 注意：PC有了新增信号。原来在单周期中的某些功能模块也可能需要做针对性调整。 (3) 功能定义 序号 1 2 功能名称 复位 功能描述 当复位信号有效时，PC被设置为0x0000_3000。 保存NPC并输出 在每个clock的上升沿保存NPC，并输出。 13. 下列模块必须严格满足如下的接口定义： a) 你必须在VerilogHDL设计中建模这3个模块。 b) 不允许修改模块名称、端口各信号的名称/类型/位宽。 文件 mips.v 模块接口定义 module mips(,clk, rst) ; input clk ; // clock input rst ; // reset module im_4k( addr, dout ) ; input [11:2] addr ; // address bus output [31:0] dout ; // 32-bit memory output module dm_4k( addr, be, din, we, clk, dout ) ; input [11:2] addr ; // address bus input [3:0] be ; // byte enables input [31:0] din ; // 32-bit input data input we ; // memory write enable im.v dm.v 批注 [GXP3]: 增加了4位字节使能！ input clk ; // clock output [31:0] dout ; // 32-bit memory output 四、 测设要求 14. 所有指令都应被测试充分。 15. 本project不提供基准测试程序了。 a) 你可以在project4提供的基准测试程序上改造以产生你的基准测试程序。 16. 构造至少包括40条以上指令的测试程序，并测试通过。 a) MIPS-Lite4定义的每条指令至少出现1次以上。 b) 必须有函数，并至少1次函数调用。 17. 函数相关指令(jal和jr)是较为复杂的指令，其正确性不仅涉及到自身的正确性，还与堆栈调整等操作相关。因此为了更充分的测试，你必须在测试程序中组织一个循环，并在循环中多次函数调用，以确保正确实现了这2条指令。 18. 详细说明你的测试程序原理及测试结果。【WORD】 a) 应明确说明测试程序的测试期望，即应该得到怎样的运行结果。 b) 每条汇编指令都应该有注释。 五、 问答【WORD】 19. 状态机设计通常没有唯一答案。Figure3为2个均可行的状态机。状态机设计思路的主要差异在于在译码状态后，根据指令的性质设置了不同的状态分支。每位设计者的设计构思可能都不尽相同。请详细描述你的设计构思，特别是描述你为什么要这样设计状态分支。 Figure3 多周期控制器状态机参考设计 六、 成绩及实验测试要求
20. 实验成绩包括但不限于如下内容：初始设计的正确性、增加新指令后的正确
性、实验报告等。
21. 实验测试时，你需要展示你的设计并证明其正确性。
a) 应简洁的描述你的验证思路，并尽可能予以直观展示。
22. 实验指导教师会临时增加若干条指令，你需要在规定的时间内完成对原有设
计的修改，并通过实验指导教师提供的测试程序。
a) 考查时，教师将用专用testbench和code.txt检测代码执行情况。
七、 其他要求
23. 打包文件：VerilogHDL工程文件、code.txt、code.txt所对应的汇编程序、项
目报告。
24. 时间要求：各班实验指导教师指定。
25. 本实验要求文档中凡是出现了【WORD】字样，就意味着该条目需要在实验
报告中清晰表达。
26. 实验报告请按照《计算机组成原理实验报告撰写规则.doc》要求排版。
八、 开发与调试技巧
27. be[3:0]是字节使能，分别与din[31:24]、din[23:16]、din[15:8]及din[7:0]对应。
当we有效时，对于addr寻址的那个word来说，be[3]为1则din[31:24]被写入byte3，类似的be[2]对应din[23:16]和byte2，依此类推。
a) be[3:0]主要用于支持sb、sh、sw这3条指令。当处理器执行sb、sh、sw
指令时，通过对ALUOut[1:0](ALUOut保存了ALU计算的32位地址)的解读后产生相应的be[3:0]，处理器就可以“通知”DM该写入哪些字节。 b) sw指令：GPR[rt]写入对应的字。
ALUOut[1:0] XX BE[3:0] 1111 用途 din[31:24]写入byte3 din[23:16]写入byte2 din[15:8]写入byte1 din[7:0]写入byte0 c) sh指令：GPR[rt]15:0写入对应的半字。 ALUOut[1:0] BE[3:0] 用途 0X 1X 0011 1100 din[15:8]写入byte1 din[7:0]写入byte0 din[15:8]写入byte3 din[7:0]写入byte2 d) sb指令：GPR[rt]7:0写入对应的字节。 ALUOut[1:0] 00 01 10 11 BE[3:0] 0001 0010 0100 1000 用途 din[7:0]写入byte0 din[7:0]写入byte1 din[7:0]写入byte2 din[7:0]写入byte3 e) Figure4给出了增加BE扩展的数据通路局部参考设计。显然，BE扩展功
能部件还需要有来自控制器的控制信号。注意：由于DM容量有限，因此ALUOut计算出来的32位地址没有必要也不可能都用上，故接入DM的地址总线位数为[X:2](假设DM容量为4KB，那么X就是11；假设DM容量为1MB，那么X就是19；依次类推)。
Figure4 BE扩展
28. 对于lb、lbu、lh、lhu来说，Figure1是不能支持的。为此你必须增加一个数
据扩展模块。这个模块将从数据寄存器读出的数据再进行一次位扩展。 a) 以lb为例，数据扩展模块输入数据寄存器的32位数据，根据ALUOut[1:0]
从中取出特定的字节并以该字节的最高位为符号位做符号扩展。
29. 由于MIPS部分指令涉及非常复杂的运行模式，故你在阅读《MIPS32®
Architecture For Programmers Volume II: The MIPS32® Instruction Set》时可能存在困难。为此我们针对本课程定义的MIPS-C指令集，从原文手册中提取了必要的内容，编写成《MIPS-C指令集.pdf》以便于你理解。简化主要是去除所有与exception、delay slot有关的描述。 a) MIPS-C指令集描述见《MIPS-C指令集.pdf》。
b) 《MIPS-C指令集.pdf》是对《MIPS32® Architecture For Programmers
Volume II: The MIPS32® Instruction Set》解读，我们不能保证100%正确。你应该对照着阅读。
30. 建议先在MARS中编写测试程序并调试通过。注意memory configuration的
具体设置。
31. 由于MIPS-Lite4支持了更多的指令，因此我们已经基本可以用GCC来编译
用C写的简单测试程序了。我们提供了基于cygwin(windows下模拟linux)的GCC编译环境，这样你可以更快速的编写测试程序了。Cygwin压缩包及简要使用说明很快提供。假设使用gcc，那么你的测试程序开发流程可以如下：
a) S1：验证C功能正确性。用windows上的某个C开发环境(CodeBlocks、
VisualStudio等)先编写并测试C代码。注意：由于你的mips系统还非常的简陋，还不能运行复杂系统，因此类似printf这样的库函数只能在windows上测试时使用，在gcc编译时需要剔除。 b) S2：生成MIPS汇编。用cygwin下的gcc编译测试程序。
c) S3：提取测试用MIPS汇编。由于生成的汇编包含部分无关代码(由于系
统的原因)，因此你需要提取出你真正用于测试的MIPS汇编部分。 d) S4：修正测试用MIPS汇编。打开gcc生成的bin.elf.txt，你能看到C代
码与汇编指令的对应关系。1）看看有没有不支持的指令；2）看看有没有需要支持但没有产生的指令。3）调整数据的基地址、堆栈的基地址(通常都只涉及几条指令)。如果出现了任意一种情况，你可能都需要在这段MIPS汇编基础上改写一些内容。
e) S5：MARS上验证改写的MIPS汇编。与windows的C环境进行对比(建
议对比DM数据)。如果验证是一致的，那么恭喜你，你得到了可以用来测试你自己的处理器的mips代码了。
32. 用$display和$monitor来监控重要变量会提高你的调试效率。如果之前的
project都是你自己独立完成的，那么我认为你已经具有很好的工作基础了。换句话说，你已经基本上能驾驭设计了。这时除了看波形外，你需要更加高效的调试方法了。进入这个project后，很多时候我们可以通过观察寄存器来判断程序的正确性了。下面我们通过举一个非常实用的例子来展示$monitor的调试价值。
a) 现在，我们往往需要观察寄存器的变化来判断处理器设计是否正确。那么请观察下面这段代码。 if ( RegWrite_I ) begin rf[j] <= WData_I ; // 写入寄存器 `ifdef DEBUG $display(\"R[00-07]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X\rf[6], rf[7]); $display(\"R[08-15]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X\rf[8], rf[9], rf[10], rf[11], rf[12], rf[13], rf[14], rf[15]); $display(\"R[16-23]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X\rf[19], rf[20], rf[21], rf[22], rf[23]); $display(\"R[24-31]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X\rf[27], rf[28], rf[29], rf[30], rf[31]); `endif end b) 这段代码是寄存器文件的片段。我们在写寄存器之后用ifdef引导了4个$display。每当有寄存器被写入后，32个寄存器就都被显示在Modelsim的调试窗口中。显然，通过这种方式，我们可以很容易的发现哪个寄存器被修改了。 c) 如果再利用$monitor把PC和IR也都监控起来，那么整个CPU的运行状态就非常清晰了。参考代码如下： mips U_MIPS( clk, rst ) ; initial $monitor(\"PC = %8X, IR = %8X\U_MIPS.datapath.pc.pc, U_MIPS.datapath.ir.ir ); clk = 0 ; rst = 0 ; 其他语句 批注 [gxp4]: 注意：如果写了2个monitor，那么只有最后一个monitor会起作用。因此，你需要把关心的变量都放在同一个monitor语句中。 批注 [gxp5]: 最后一个pc代表pc.v中定义的寄存器变量（真正的PC）
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容