康磊，李鑫，李慧，郑豪威

（西安石油大学计算机学院，西安710000）

0 引言

《计算机组成原理》是计算机相关专业的一门重要的专业基础课。该课程主要介绍计算机内部的工作原理，帮助学生深入理解计算机的工作流程[1]。对于这种实践性很强的课程，实验环节是学好课程的关键步骤，它有助于学生对抽象理论的理解，可以亲身体验平时只能依靠老师讲解、自己想象的情景[2-3]。控制器的设计是课程的核心，它需要控制整个硬件系统的各个模块，因此必须深刻了解指令系统中各条指令功能，以及每条指令的数据通路的建立过程，能够正确给出各部件时序控制信号，保证每一条指令的顺利执行。

本文基于RISC-V 指令集设计了单周期的教学模型机。学生可以对于CPU 内部的工作流程以及各个功能部件有更深刻的理解，并根据个人的理解设计模型机的控制器，设计完成后进行功能仿真，学生可以通过观察仿真结果图判断指令执行的正确性，加强自身对计算机系统的理解。

1 模型机

在进行模型机设计时，需根据模型机的指令集，设计模型机内部功能模块和完整的数据通路。本文使用Verilog 硬件描述语言实现对各个模块，然后进行整机的功能仿真和测试。

1.1 模型机指令集选取

指令集（Instruction Set Architecture，ISA），是指可以被一台计算机执行的全部指令的集合，是计算机硬件和上层软件之间的接口。本文基于RISC-V 指令集进行设计，存储系统采用哈佛结构。

RISC-V 指令集[4-5]共有R-type、I-type、S-type、Btype、U-type、J-type 六种指令类型，具体指令格式如图1 所示。……