单周期和多周期专用CPU设计【开题报告】.doc

毕业设计开题报告 计算机科学与技术 单周期和多周期专用CPU设计 一、选题的背景与意义 随着信息技术的迅猛发展，计算机技术也在不断革新，而计算机已经成为了人们日常生活中不断或缺的一个组成部分，在经济全球化和网络普及化的今天，计算机对于人们的影响也越来越大，而作为计算机的核心设备，CPU也在不停地更新换代并越来越受到人们的关注和重视，多线程，多核心理论的产生，使得CPU的革新速度又得到进一步的提升。本课题旨在通过对硬布线控制器知识的分析，对单、多周期CPU设计进行探究，熟练掌握CPU内部线路，实现其功能。 中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是电子计算机的主要设备之一。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU，往往采用硬布线逻辑实现。 硬布线控制器又称组合逻辑控制器，它将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，产生各种控制信号。硬布线控制器又称组合逻辑控制器，以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。硬布线控制的功能由逻辑门组合实现。硬布线控制逻辑主要取决于电路延时，因而在超高速机器中，对影响速度的关键部分如核心部件CPU，往往采用硬布线逻辑实现。近年来，在一些新型计算机系统中，例如，RISC(精简指令系统计算机)中，一般都选用硬布线逻辑电路。，与微程序控制器相比，硬布线控制的速度较快。其原因是微程序控制中每条微指令都要从控制存储器中读取一次，影响了速度，而硬布线控制主要取决于电路延迟。另外，随着新一代机器及VLSI技术的发展与不断进步，硬布线逻辑设计思想又得到了重视，现代新型计算机体系结构RISC 中多采用硬布线控制逻辑。 另外我们还需要了解EDA技术，它是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的必威体育精装版成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 本项目要求进行多周期CPU逻辑设计，在多周期 CPU 中，要解决最大的问题是设计控制部件CU。在单周期CPU 设计中，由于每条指令都是在一个周期内运行完成的，每条指令在解码之后，可以使用组合逻辑给出各种控制信号。这些控制信号在指令周期内部不需要改变，直至下一个周期到来，开始执行下一条指令。然而，在多周期CPU 中，指令不是在一个周期内运行完成的，这样，就需要控制部件CU 能够知道在每一个周期要做什么事情。不同的指令，指令执行中需要的周期数量是不同的，每个周期中做的事情也是不一样的。要做到根据指令的不同，在各个周期内完成不同的任务，这就需要使用有限状态机(Finite State Machine)来实现。 取 指 令 取 指 令 IF 指令译码ID 指令执行EXE 存储器访问MEM 结果写回WD 图一、单周期CPU 指令处理过程 然后分析总结出完整的有限状态机图，并分析不同状态下的数据通路和工作过程，通过指令实现单周期CPU以及多周期CPU的功能。 研究的方法与技术路线： 鉴于本课题所要达到的目标，在指导老师的建议下，我将尝试查找关于调度这方面的书籍和文献，其实要完成该课题的算法，能合理调度任务最重要；近期里通过查阅资料，充分了解多周期CPU 数据通路和控制线路图。在多周期CPU 中，指令不是在一个周期内运行完成的。这样，就需要控制部件CU 能够知道在每一个周期要做什么事情。这就需要我们使用Quartus II软件进行线路的模拟和分析，画出基本的CPU内部数据电路，然后根据指令，确定时钟周期，连接数据通路，实现单周期和多周期CPU的功能，最后我总结分析，最后提出以上解决方案。以下是一个简单的ADD指令： 000000 rs(5 位) rt(5 位) rd(5位) reserved 图2、该指令所完成的功能是：rd←rs+rt 研究的总体安排与进度： 截止时间 要求完成的工作 2010-11-20~2010-11-26 在老师指导下进行毕业设计选题 2010-11-27~2010-11-28 明确课题的目标和内容及做好相应技术准备 2010-11-29~2010-12-06 下发毕业设计课题任务书 2010-12-13~2010-12-18 学生撰写开题报告 2010-12-19~2010-12-26 完成开题答辩 2010-12-27~2011-01-31 查找文献，完成文献综述和翻译 2011-02-01~2011-04-30 完成课题主要内容并进行实验验证 2011-05-01~2011-05-20 撰写毕业设计论文，整理材料，