2015秋季硬件技术综合实习课程设计实验报告.docVIP

华南农业大学信息学院 硬件技术综合实习实验报告 课程设计名称： 无cache 5级流水CPU设计 相关课程名称： 计算机组成原理 开 设 时 间： 2015学年第一学期 指 导 教 师： 万军洲 姓 名： 学 号： 班 级： 华南农业大学 《硬件技术综合实习》课程设计 设计起止日期：2015.10 ～ 2015.12 2015学年 第一学期 系别 计算机 班级 学号 姓名 设计 题 目 无cache 5级流水CPU设计 学生 自 我 评 价 同学甲： 同学乙： 同学丙： 工作量：同学甲XX%，同学乙XX%，同学丙XX% 教 师 评 语 能够实现实验要求的功能 □全部 □部分 算法描述清晰 □清晰 □一般 □杂乱 算法有新意 □有 □一般 程序运行通过 □有通过 □无通过 算法思想与程序设计参数等说明 □完善 □仅有功能说明 □缺 按期上交报告的文档资料及附源程序 □按期且资料全 □未按期 报告的整体结构 □合理 □不合理 问题的困难部分流畅解决 □解决的好 □解决不好 对算法的分析 □有且效率好 □一般 □忽视 有总结和体会 □有 □无 成绩 教师签名：万军洲 批改日期：2016年 1 月 10 日 一、课程设计目的 1．本实验以计算机硬件为主，兼顾计算机软件和计算机应用技术。在教师指导下，灵活运用所学到的基础知识和主要专业知识，将一个16位的CPU修改成8位的CPU。 2．本实验需要自己设计并最终用FPGA实现一个CPU芯片。需要自己设计指令系统、指令格式、寻址方式、寄存器结构、数据表示方式、存储器系统，自己设计运算器、控制器和流水线结构等。用VHDL硬件语言进行逻辑设计，采用先进的工具软件进行模拟和测试，测试通过之后下载到FPGA芯片中，并在测试平台上通过规定测试程序的测试。 3．在完成实验的过程中锻炼和提高实际动手能力、创新思维、团队合作精神等方面的能力。 4．本实验作为一个重要的教学实践环节，安排在本科生在课程教学基本完成之后，在综合论文训练之前，具有承上启下的作用。 5．可能的应用前景：由于我们实现的是通用CPU，故大部分需使用CPU的场合都有可能使用，只不过目前只能用于对速度要求不高、对特殊指令要求不多（非专用CPU）的场合下。但由于其成本比较低，在低端市场也许有一定的竞争力。 二、课程设计内容 将一个16位的CPU修改成8位的CPU，具体步骤如下： 1.选取出需要实现的指令（不能超过16条） 2.修改代码中的CPU字长、主存字长和寄存器字长为8位。 3.根据选取出来的指令修改相应的译码和执行部分代码 4.编写CPU规则 详细设计 (一)、代码修改 1.指令选取 a). ADD、SUBB、AND、SHL、SHR 5条ALU相关指令 b). MOVI、MOV、LOAD、STORE 4条寄存器/主存相关指令 c). JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ 5条跳转指令 d). HALT、NOP 停止运行和空操作指令 2.CPU字长和寄存器字长修改(unitpack.vhd) 其中寄存器的数量为4个，字长均为8 3.译码部分的修改(identity.vhd) d_IR为当前译码的指令，其中d_IR(3 downto 0)包含寄存器DR和SR的索引(INDEX) 4.执行部分的修改(exentity.vhd) ALU的两个输入均为8位，计算过程中为了方便判断进位或移除，引入9位的临时中间变量。最终的ALU输出为8位。 (二)、系统级设计 概念设计 指令流水的基本思路是把每条指令划分为几个执行步骤，这些步骤在执行过程中使用不同的资源从而在时间上能重叠起来，提高了整体工作负载的吞吐率。 我们将每条指令划分为“取指”、“译码”、“执行”、“访存”、“写回”这五个执行步骤。 时序设计 五级流水的时序设计相对两级流水要复杂。在两