基于MIPS架构的处理器实验改革

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基于MIPS架构的处理器实验改革

作者：张小军郭华张德学

来源：《教育教学论坛》2016年第28期

摘要：本文主要是处理器实验课程改革，从实验改革的内容、实验条件、实验效果等方面进行研究。整个实验基于Modelsim和FPGA平台进行设计，以计算机组成原理课程为主要内容，与MIPS处理器设计相结合，是课本内容与EDA技术的一个很好结合。通过实验改革可以很好地促进学生对处理器内部的工作原理的了解，是对课堂知识的进一步深入。

关键词：MIPS；EDA；处理器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0266-02

一、前言

处理器原理实验是计算机组成原理课程教学的一个重要环节。传统的实验主要采用集成芯片搭建的电路模拟计算机的工作原理，这种实验与课本知识的结合不是很密切，反而有些实验为了达到模拟的目的，设置了很多额外的电路，加深了学生对内容的理解难度，模拟处理器的实验已经不能适应现代实验教学的需求。随着EDA技术的发展，硬件描述语言Verilog或者VHDL在学生课程中逐渐普及，处理器实验变被动的验证性实验为主动的设计性实验[1]，通

过处理器的设计实验，一方面可以加深学生对课程内容的理解，另一方面可以增强学生的动手能力。本文结合笔者在教学中的一些经验就处理器实验方面的改革进行阐述。

二、基本内容

课堂内容的教学主要采用唐朔飞老师主编的《计算机组成原理》（第二版）[2]，作为一

本经典的计算机教材在各个大学中被广泛采用。经典的计算机结构分为五个部分：存储器、控制器、输入输出系统和控制器。在授课计划中，存储器具体可分为主存储器、高速缓冲存储器和辅助存储器；控制单元的功能和设计主要包括时序系统以及采用组合逻辑和微程序设计控制单元的设计思想与实现措施。CPU的特性包括计算机的算术逻辑单元、指令系统、指令流

水、处理器架构及中断系统。输入输出系统是计算机的重要组成部分，是沟通计算机与外部世界的桥梁，主要讲授各种各样的外部设备同主机的交换信息方式。

MIPS处理器是一种精简指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computer）架构的处理器，它是由斯坦福大学Hennessy教授研究团队发明[3]。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without Interlocked Pipe Stages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题，它和英特尔所采用的复杂指令系统计算结构（CISC，Complex Instruction Set Computer）相比，RISC具有设计简单、设计周期短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。实验中所采用的MIPS32架构基于一种固定长度的定期