课程设计任务书_20201

《MIPS SOC 设计与性能优化》课程设计任务书详细解析 本课程设计主要目标是让学生深入理解并实践计算机系统中的MIPS体系结构，通过扩展指令集、优化处理器性能及编写设计报告，提升学生的硬件设计能力和性能分析能力。具体任务分为必选内容和扩展内容两部分，下面将逐一详细讲解。 必选内容主要围绕MIPS五级流水线CPU的扩展与性能优化展开： 1. **指令集扩展**：从原有的十条指令扩展到57条，包括MIPS I中的非浮点指令和部分MIPS 32指令。扩展内容涉及算术、逻辑、移位、分支、数据移动、自陷、访存和特权指令。 2. **加入Cache**：实现4KB大小、1word块大小、写直达、直接映射的I-Cache和D-Cache，以提高CPU访问内存的速度。 3. **性能优化**： - **流水线断流问题优化**：通过分析数据前推路径，减少分支指令和访存延迟导致的流水线中断，提高处理器效率。 - **均衡各阶段组合逻辑延时**：优化不同阶段的逻辑设计，尤其是译码和执行阶段，使各阶段延时接近，提升单周期执行时间。 - **关键路径优化**：着重优化IO访问延迟，缩短关键路径，从而提高时钟频率，并兼顾IPC（Instructions Per Clock）的均衡。 扩展内容则提供了进一步的挑战，如实现写回法Cache、设计TLB模块等，以提升系统复杂性和性能。 撰写设计报告是展示设计成果的重要环节，应包括： 1. **指令实现方式**：详细说明新增指令在控制器和数据通路中的实现方法，并附上核心代码截图和说明。 2. **优化内容详解**：阐述优化思路，展示优化后的核心代码，并提供优化前后的性能对比。 3. **通路图（选做）**：如果改动较大，需提供新的数据通路结构图。 4. **测试结果**：展示仿真和实板测试的结果，包括周期、频率等方面的比较。 5. **结论**：分析必选和扩展内容完成后性能的提升，从周期、IPC、频率等角度总结优化效果。 6. **参考文献**：列出设计过程中引用的所有参考资料。 整个设计过程旨在锻炼学生的实际操作技能，加深对计算机系统设计的理解，尤其是性能优化方面的知识。通过这一系列任务，学生将能全面了解MIPS处理器的内部工作原理，掌握硬件优化技术，并具备独立完成复杂硬件设计任务的能力。