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计科校交1601_U201610504_刘逸帆_组原课设报告1
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2019201920192019计算机组成原理 课程设计报告计算机组成原理 课程设计报告计算机组成原理 课程设计报告计算机组成原理 课程设计报告 题 目:5段
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I
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
目 录
1 课程设计概述.......................................................................................3
1.1 课设目的 .............................................................................................3
1.2 设计任务 .............................................................................................3
1.3 设计要求 .............................................................................................3
1.4 技术指标 .............................................................................................4
2 总体方案设计.......................................................................................6
2.1 单周期 CPU 设计 ................................................................................6
2.2 流水 CPU 设计 ..................................................................................12
2.3 气泡式流水线设计 ...........................................................................14
2.4 重定向流水线设计 ...........................................................................15
2.5 动态分支预测机制设计 ...................................................................16
2.6 中断机制设计 ...................................................................................18
3 详细设计与实现 .................................................................................20
3.1 单周期 CPU 实现..............................................................................20
3.2 流水 CPU 实现 ..................................................................................27
3.3 气泡式流水线实现 ...........................................................................29
3.4 重定向流水线实现 ...........................................................................30
3.5 动态分支预测机制实现 ...................................................................33
3.6 中断机制实现 ...................................................................................36
4 实验过程与调试 .................................................................................40
4.1 测试用例和功能测试 .......................................................................40
4.2 性能分析 ...........................................................................................42
4.3 主要故障与调试 ...............................................................................43
4.4 实验进度 ...........................................................................................46
II
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
5 设计总结与心得 .................................................................................47
5.1 课设总结 ...........................................................................................47
5.2 课设心得 ...........................................................................................47
参考文献...................................................................................................50
3
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
1 课程设计概述
1.1 课设目的
计算机组成原理是计算机专业的核心基础课。该课程力图以“培养学生现代计
算机系统设计能力”为目标,贯彻“强调软/硬件关联与协同、以 CPU 设计为核心/
层次化系统设计的组织思路,有效地增强对学生的计算机系统设计与实现能力的培
养”。课程设计是完成该课程并进行了多个单元实验后,综合利用所学的理论知
识,并结合在单元实验中所积累的计算机部件设计和调试方法,设计出一台具有一
定规模的指令系统的简单计算机系统。所设计的系统能在 LOGISIM 仿真平台和 FPGA
实验平台上正确运行,通过检查程序结果的正确性来判断所设计计算机系统正确
性。
课程设计属于设计型实验,不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力,而且通
过进行中央处理器底层电路的实现、故障分析与定位、系统调试等环节的综合锻
炼,进一步提高学生分析和解决问题的能力。
1.2 设计任务
本课程设计的总体目标是利用 FPGA 以及相关外围器件,设计五段流水 CPU,要
求所设计的流水 CPU 系统能支持自动和单步运行方式,能正确地执行存放在主存中
的程序的功能,对主要的数据流和控制流通过 LED、数码管等适时的进行显示,方
便监控和调试。尽可能利用 EDA 软件或仿真软件对模型机系统中各部件进行仿真分
析和功能验证。在学有余力的前提下,可进一步扩展相关功能。
1.3 设计要求
(1) 根据课程设计指导书的要求,制定出设计方案;
(2) 分析指令系统格式,指令系统功能。
(3) 根据指令系统构建基本功能部件,主要数据通路。
(4) 根据功能部件及数据通路连接,分析所需要的控制信号以及这些控制信号
的有效形式;
4
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
(5) 设计出实现指令功能的硬布线控制器;
(6) 调试、数据分析、验收检查;
(7) 课程设计报告和总结。
1.4 技术指标
(1) 支持表 1.1 前 27 条基本 32 位 MIPS 指令;
(2) 支持教师指定的 4 条扩展指令;
(3) 支持多级嵌套中断,利用中断触发扩展指令集测试程序;
(4) 支持 5 段流水机制,可处理数据冒险,结构冒险,分支冒险;
(5) 能运行由自己所设计的指令系统构成的一段测试程序,测试程序应能涵盖
所有指令,程序执行功能正确。
(6) 能运行教师提供的标准测试程序,并自动统计执行周期数
(7) 能自动统计各类分支指令数目,如不同种类指令的条数、冒险冲突次数、
插入气泡数目、load-use 冲突次数、动态分支预测流水线能自动统计预测
成功与失败次数。
表 1.1 指令集
#
指令助记符
简单功能描述
备注
1
ADD
加法
2
ADDI
立即数加
3
ADDIU
无符号立即数加
4
ADDU
无符号数加
5
AND
与
6
ANDI
立即数与
7
SLL
逻辑左移
8
SRA
算数右移
9
SRL
逻辑右移
10
SUb
减
11
OR
或
12
ORI
立即数或
指令格式参考 MIPS32 指令
集,最终功能以 MARS 模拟
器为准。
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glowlaw
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