开放性实验FPGA实现流水线式CPU文档大连理工大学.docx

大连理工大学计算机系统设计开放实验结课论文4位原型计算机的设计与实现学院：软件学院专业：软件工程（日语强化）姓名与学号：班级：软日1101完成时间： 2013.12.25大连理工大学Dalian University of Technology摘要我们之所以选择了这门计算机系统设计开放实验课，是因为感到在计算机组成原理的实验课上对FPGA的学习和理解都远远不够，同时也想通过自己设计计算机系统来加深对计算机系统的理解和认识。本次实验是基于TEC-XP实验计算机系统的，采用的是spartan-II型号的FPGA芯片,使用的是VHDL语言。在本篇结课论文中分析了采用FPGA 芯片实现一个支持指令流水的实验计算机系统的方法，主要介绍各个模块的设计以及。在实际设计过程中，每实现一个模块都需要进行仿真验证，通过观察仿真波形来确定程序设计的正确性。，最终得到了一个完成了基本功能并实现了指令流水的4位原型计算机。目录摘要…………………………………………………………………………………………………2引言1.1 TEC-XP教学计算机系统……………………………………………….41.2 课程目标……………………………………………………………………5流水线CPU的实现指令集系统…………………………………………………………………………...6变量的定义…………………………………………………………………………..7指令的设计实现预处理…………………………………………………………………………8指令集实现…………………………………………………………………8流水线的设计实现取指……………………………………………………………………………..13译指……………………………………………………………………………..13执行……………………………………………………………………………..13流水实现……………………………………………………………………..14仿真仿真流程………………………………………………………………………………14仿真波形………………………………………………………………………………15结论……………………………………………………………………………………………..15参考文献…………………………………………………………………………………………….16致谢……………………………………………………………………………………………16引言1.1 TEC-XP教学计算机系统TEC-XP是16位的教学实验系统，由清华大学科教仪器厂、清华大学计算机系联合研制。适用于本科、硕士研究生的计算机组成原理和计算机系统结构课程的教学实验。该系统有自己的指令系统和监控程序，能够与终端或PC机相连（可以通过键盘输入程序执行，结果可以通过终端或者显示器显示），可以进行联机操作和执行比较完整的程序。实验系统分成主要的两个部分：一部分采用模块化的结构(运算器、控制器、主存储器、I/O接口和中断)构成一台完整的模型计算机，支持组合逻辑控制器和微程序控制器两种控制器方案，两种控制器紧凑合理，完成教学实验方便高效；另一部分采用先进的FPGA芯片，选择的是Xilinx 公司的SPARTAN-II 系列芯片(型号是XC2S200)，20 万门容量，其内部有2352个CLB，14 个4Kb 的RAM 块，208 脚的PQFP 封装形式。用户可自行设计CPU(流水和CACHE)。系统的软硬件配置完整，技术资料齐全，支持的实验项目多、水平高，实验手段先进。主要技术指标：（1） 机器字长16位, 即运算器、主存、数据总线、地址总线均是16位。（2） 基本指令系统支持多种基本寻址方式。其中部分指令已实现, 用于设计监控程序和用户的常规汇编程序, 尚保留多条指令供用户自己实现。（3） 主存最大寻址空间是18K字,可进行主存储器扩展实验。（4） 运算器由4片位片结构器件AM2901级联而成, 片间用串行进位方式传递进位信号。ALU实现8种算术与逻辑运算功能, 内部包括16个双端口读出、单端口写入的通用寄存器, 和一个能自行移位的乘商寄存器。设置C、Z、 V、S四个状态标志位。运算器实验可以有脱机和联机两种实验方式。（5） 控制器采用微程序和组合逻辑两种控制方案实现。组合逻辑控制器用的是LATTICE公司的CPLD的芯片。在做控制器实验时，用户可按基本指令的格式和流程扩展指令，编写程序使新老指令同时运行。（6） 主机上安装有一路INTEL8251串行接口，可直接接计算机终端, 或接入一台PC机作为自己的仿真终端。另保留一路为用户扩展用，可完成串口初始化，双机通讯等实验。（7） 主机可完成三级中断实验和中断嵌套实验。（8） 实验箱有自己的监控程序（操作系统），支持多种实验方式（如：单步/连续，手动置指令/从