清 华 大 学
计算机科学与技术系
计算机专业实践报告
专题名称： 开放式教学
CPU
设计与测试系统
姓 名 柏青
同组姓名 霍明宇
二零零四年九月
目 录
1. 引言.................................................................................................................................................3
1.1 实验目的...................................................................................................3
1.2 国内外研究现状.......................................................................................3
1.3 实验环境...................................................................................................7
1.4 主要成果...................................................................................................7
2. 设计报告.........................................................................................................................................7
2.1 实验方法...................................................................................................7
2.2 总体说明...................................................................................................9
2.3 各部分说明.............................................................................................14
3．测试报告.....................................................................................................................................49
3.1 测试程序.................................................................................................49
3.2 测试结果.................................................................................................51
3.3 性能分析.................................................................................................51
4．总结.............................................................................................................................................51
4.1 实验总结.................................................................................................51
4.2 取得的收获.............................................................................................51
5．参考文献.....................................................................................................................................52
6．附录：.........................................................................................................................................53
6.1 附录 A：组员分工.................................................................................53
6.2 附录 B：程序或硬件说明（可选）......................................................53
1. 引言
1.1 实验目的
与以往的 CPU 教学实验不同，这次的“开放式教学 CUP 设计与测试系统”中使用另
外一个成品 CUP 专门运行监控程序，另外还能够将各种测试程序自动转换成用实验者所设
计的指令系统表示的目标代码，并且能够在实验装置上运行、调试和测试所生成的目标代
码。
有了这样的改进，我们做实验就有了新的要求和任务：学会使用先进的硬件设计工具
和超大规模集成电路 FPGA 设计并实现一个 CPU 芯片。要求采用先进的工具软件进行模拟
和测试，测试通过后再下载到 FPGA 中制成 CPU 芯片。在过程中需要掌握的主要就是
CPU 的设计、验证和测试方法，以及学会相关工具软件的使用方法。
1.2 国内外研究现状
首先来说明一下 CPU 的发展史以及当代业界的主要成果
CPU 的诞生:
世界上第一台计算机“爱尼亚克”，有一间屋子那样大（如图 1-1(a)）那时还
没有 CPU 这个概念。
图 1-1 (a)第一台计算机 (b)第一个 CPU 芯片
1971 年 11 月，Intel 推出世界上第一个 CPU——Intel4004 芯片（如图 1-
1(b)）。这一芯片有 108 千赫，在它 3mmx4mm 的掩模上，有 2250 个晶体管，
每个晶体管的距离是 10 微米——也就是说每个晶体管线条宽度只有一根头发的
千分之一，每秒运算 6 万次。
个人电脑的芯:
处理器可用来完成较老和较大设备的计算任务,价格又便宜,这一优势很快被
人们认识，于是各半导体公司竞相生产处理器芯片。曾经名噪一时的 Zilog 公司
生产了比 Intel8080 功能更为强大的 Z80，这是一块直到今天仍然被尊为“经典”
的 CPU。而在另一家大名鼎鼎的摩托罗拉公司，则诞生了 6800，从此拉开了摩
托罗拉 MC68XXX 系列和 IntelX86 系列举世瞩目的竞争。在 6800 系列中有一
款 MOS6502(如图 1-2)值得一提——它因为被著名的 APPLEII 个人电脑所采用
而名扬四海。
图 1-2 MOS6502
1978 年 Intel 推出世界上第一个 16 位数据同时工作的处理器——8086。它
的最高主频速度达到 8MHz、具有 16 位数据通道、内存寻址能力为 1MB，处理
器性能有大幅提高。仅仅一年后，Intel 公司开发出了 8088。它幸运地在 1981
年被首次用于 IBM PC 机中，电脑开始走入了家庭。个人电脑（PC）的概念也是
从 8088 的问世而出现的。
1982 年 Intel 在 8086 的基础上研制出了 80286 处理器，这个集成了大约
130000 个晶体管的处理器的最大速度为 20MHz，内、外部均采用 16 位工作，
使用 24 位实现内存储器的寻址，内存寻址能力为 16MB。不久，IBM 公司将
80286 处理器用在先进技术微机即 AT 机中，引起了极大的轰动。实际上这也是
一块性能出众的芯片，它在支持更大的内存、能够模拟内存空间、能同时运行多
个任务以及处理速度等 4 方面比它的前辈有显著的改进。
制造工艺的不断进步:
1971 年问世的 4004 采用 10 微米技术，8080 则采用 6 微米。8086 将之突
破到 3 微米。1985 年，Intel 的 80386 问世，3 微米的记录成为了历史，新纪
录是 1.5 微米。1989 年 4 月，这个记录依然是 Intel 保持：486，1 微米。
1990 年 6 月，50M 的 486 将纪录提高到了 0.8 微米。此后该记录沉睡了４年，
直到 1994 年 3 月 IntelDX4319 微处理器将这一记录改写为 0.6 微米。此后
IBM 与 Intel 将竞争推向了白热化。1995 年，当 Pentium133 问世时，创造了
0.35 微米的世界纪录，此后不甘示弱的 IBM 将记录提高到了 0.29 微米，不过
1997 年，Intel 又扬眉吐气，记录被他们提高到 0.25 微米。如今 0.13 微米的芯
片已经开始制造，而 Intel 与 IBM 的竞争仍在继续。
RISE 公司的 CPU(图 1-3(a))——MP6 在 Intel PII 时代昙花一现。
图 1-3 (a) RISE MP6 (b) WinChip
IDT 的 CPU 名叫 WINCHIP(图 1-3(b))，可惜在芯片（CHIP）领域，IDT 难
以取胜（WIN）。
1985 年 10 月 17 日问世的 80386 时钟频率到达 33MHz，成为全 32 位微
处理器芯片的最杰出代表，它也是 X86 家族中第一款 32 位芯片。而在当时与之
抗衡的是摩托罗拉的 MC68030。
1989 年，经过四年开发和 3 亿美元资金投入的 Intel80486 推出。这款芯片
在当时引起了极大的轰动，其伟大之处就在于它突破了 100 万个晶体管的界限。
80486 的性能比带有 80387 数学协处理器的 80386 DX 提高了 4 倍。
Pentium 的时代:
1993 年，全面超越 486 的新一代 586 CPU 问世，为了摆脱 486 时代处理
器名称混乱的困扰，Intel 公司把自己的新一代产品命名为
Pentium（Pentium）以区别 AMD 和 Cyrix 的产品。AMD 和 Cyrix 也分别推出
了 K5 和 6x86 处理器来对付芯片巨人，但是由于 Pentium 处理器的性能最佳，
Intel 逐渐占据了大部分市场。
1997 年，Intel 推出了包含 750 万个晶体管的 PentiumII 处理器。这款新
产品集成了 Intel MMX 媒体增强技术，专门为高效处理视频、音频和图形数据而
设计。公众对 PentiumII 处理器以及针对具体市场细分推出的不同型号处理器反
响强烈。
