流水线MIPS CPU的设计—张玲松.pdf

课程名称 数字系统设计实验II 姓名 张玲松 学号 3110100976 专业 信息与通信工程 班级 信通1105 班 1 专业：信息与通信工程___ 姓名：___ 张玲松 ___ 学号：___3110100976 __ 实验报告 日期：2014 年 1 月 4 日 地点：___ 东1B-415(A)__ 课程名称： 数字系统设计实验II 指导老师： 屈民军、唐奕、马洪庆 成绩：__________________ 实验名称：_流水线MIPS CPU 的设计__实验类型：____设计型__ _同组学生姓名：__________________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和结果分析（必填） 六、实验心得 一、实验目的和要求 （1）了解提高CPU 性能的方法。 （2）掌握流水线MIPS 微处理器的工作原理。 （3）理解数据冒险、控制冒险的概念以及流水线冲突的解决方法。 （4）掌握流水线MIPS 微处理器的测试方法。 二、实验内容和原理 （一）实验内容 实验原理框图如下 设计一个32 位流水线MIPS 微处理器。设计要求： （1）至少执行下列MIPS32 指令。 ① 算数运算指令：ADD ADDU SUB SUBU ADDI ADDU ② 逻辑运算指令：AND OR NOR XOR ANDI ORI XORI SLT SLTI SLTU SLTIU 2 ③ 移位指令：SLL SLLV SRL SRLV SRA ④ 条件分支指令：BEQ BNE BGEZ BGTZ BLEZ BLTZ ⑤ 无条件跳转指令：J JR ⑥ 数据传输指令：LW SW ⑦ 空指令：NOP （2）在用5 级流水线技术，对数据冒险实现转发或阻塞功能。 （3）在XUP Vietex-II Pro 开发系统中实现MIPS 微处理器，要求CPU 的运行速 度大于25MHz. （二）实验内容 1）总体设计 流水线是数字系统中一种提高系统稳定性和工作速度的方法，广泛应用于高 档CPU 的架构中。根据MIPS 处理器的特点，将整体的处理过程分为取指令（IF）、 指令译码（ID）、执行（EX）、存储器访问（MEM）和寄存器会写（WB）五级，对 应多周期的五个处理阶段。如图3.1 所示，一个指令的执行需要5 个时钟周期， 每个时钟周期的上升沿来临时，此指令所代表的一系列数据和控制信息将转移到 下一级处理。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I1 IF ID CX MEM WB I2 IF ID CX MEM WB I3