计算机组织与结构课程设计报告

题目：5段流水CPU设计专业：计算机科学与技术班级：CS1205学号：U201214940姓名：游凡电话：132121792230邮件：[e-mail]完成日期：2015-04-02周四下午指导教师：秦磊华谭志虎胡迪青2019计算机组织与结构课程设计报告计算机科学与技术学院课程设计任务书一、设计题目基于Logisim软件仿真平台的5段流水CPU设计实现二、设计内容在logisim平台设计一款支持特定指令系统的5段流水CPU。基本要求如下：1)支持20条基本指令2)支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险；3)能正确运行自己编写的测试程序，测试程序应能涵盖所有指令。4)能正确运行教师提供的标准测试程序5)具有自动统计功能，自动统计执行周期，不同冒险冲突次数，动态预测成功次数。三、设计要求1)支持20条基本指令。2)支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险，动态分支预测。3)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。4)能运行教师提供的标准测试程序，并统计执行时间。四、设计流程1)根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案；2)画出自己所设计计算机系统的原理框图，分析所需要的控制信号以及这些控制信号的有效形式；3)设计出实现指令功能的控制器；4)调试、数据分析、验收检查；5)课程设计报告和总结。五、成绩评定成绩评定根据考勤、课程设计的过程、课程设计的效果、课程设计报告质量等进行综合评定；其中设计过程和结果占70%，课程设计报告占30%；课程设计的成绩评定等级为不及格、及格、中、良好、优秀五级；对基本功能进行扩展或设计具有非常鲜明的特征和一定程度的创新，可根据实际情况加分。六、设计报告要求课程设计报告主要内容包括：设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、参考文献等。要求在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、实验接线图等图表进行说明。总结部分主要写设计工作简介以及设计体会。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。课程设计报告采用《计算机组织与结构》专用设计报告模板，A4纸双面打印。七、时间安排课程设计的总体时间为2周，具体安排如下:1)第1天：到实验室布置任务和集中讲解。2)第1~3天：学生查阅资料，开始方案设计。3)第4天：中期进度检查，单周期CPU验收检查。4)第6天：中期进度检查，理想流水线多周期CPU验收检查。5)第10天：最终结果验收。6)八、主要参考文献[1]DAVIDA.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第4版).北京：机械工业出版社.[2]DavidMoneyHarris(美).数字设计和计算机体系结构（第二版）.机械工业出版社[3]秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理.北京：清华大学出版社，2011年.[4]袁春风编著.计算机组成与系统结构.北京：清华大学出版社，2011年.[5]张晨曦，王志英.计算机系统结构.高等教育出版社，2008年.I华中科技大学课程设计报告目录1课程设计概述.......................................................................................31.1课设目的...........................................................................................31.2设计任务...........................................................................................31.3设计要求...........................................................................................32实验原理与环境...................................................................................52.1实验原理...............................................................................................52.2实验环境...............................................................................................53总体方案设计.......................................................................................63.1构建单周期CPU................................................................................63.2可支持理想流水线的多周期CPU设计............................................74详细设计与实现.................................................................................104.1构建单周期CPU..............................................................................104.2可支持理想流水线多周期CPU.......................................................144.3流水线冲突检测器..........................................................................204.4插入气泡的流水冲突处理..............................................................214.5数据重定向的流水冲突处理..........................................................244.6动态分支预测的流水冲突处理......................................................275实验过程与调试.................................................................................295.1测试用例和功能测试......................................................................295.2性能分析.........................................................................................295.3主要故障与调试..............................................................................305.4实验流程.........................................................................................396设计总结与心得.................................................................................40II华中科技大学课程设计报告6.1课设总结.........................................................................................406.2课设心得.........................................................................................40参考文献...................................................................................................433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专业基础课。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，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。1.2设计任务计算机系统设计的总体目标是在logisim平台设计一款支持特定指令系统的5段流水CPU。具体设计任务如下：1)支持20条基本指令2)支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险；3)能正确运行自己编写的测试程序，测试程序应能涵盖所有指令。4)能正确运行教师提供的标准测试程序5)具有自动统计功能，自动统计执行周期，不同冒险冲突次数，动态预测成功次数。1.3设计要求根据课堂上学习的知识以及查阅的相关书籍资料，在Logisim平台上设计一款支持特定20条基本指令的指令系统的5段流水CPU。具体要求如下：1)支持20条基本指令2)支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险；4华中科技大学课程设计报告3)能正确运行自己编写的测试程序，测试程序应能涵盖所有指令。4)能正确运行教师提供的标准测试程序5)具有自动统计功能，自动统计执行周期，不同冒险冲突次数，动态预测成功次数。5华中科技大学课程设计报告2实验原理与环境2.1实验原理实验原理是所学的计算机组成原理中CPU的构建，结合数字逻辑，流水线的相关知识，构建PC、ALU、IM、DM、控制器等主要器件，构建专用数据通路，最后搭建一款流水CPU。2.2实验环境实验环境：Logisim仿真平台。6华中科技大学课程设计报告3总体方案设计3.1构建单周期CPU3.1.1总体设计本次我们采用的方案是硬布线控制，且主、控存分开的方案，即采用硬布线控制方式，在Logisim中利用已有的功能器件，构造PC，RF，ALU，Decode，控制器，NPC，扩展器，然后构造数据通路，采用工程化方法设计。总体结构图如图3.1所示。图3.1总体结构图3.1.2主要功能部件1.程序计数器PCPC在不跳转时执行加1操作，因此用计数器做基础，在该基础上利用计数器的加载端加载offset实现跳转。PC指令存储器AddrDataDECODERFABZALU数据存储器AddrReadDataWriteData7华中科技大学课程设计报告2.指令存储器IM，数据存储器DM指令存储器IM用ROM构造，数据存储器DM用RAM构造。在主电路中显示IM，DM，便于观察。3.寄存器堆RF寄存器堆RF用4个寄存器组成，用解码器和控制信号RegW控制选择将数据存入哪个寄存器，用数据选择器控制用哪个寄存器输出数据。4.运算器ALU运算器由加法器，减法器，移位器，比较器，与门，或门，数据选择器组成。加法器实现加法运算，减法器实现减法运算，移位器实现逻辑左移、逻辑右移、算术右移，与门实现与运算，或门实现或运算，比较器实现小于置1。5.控制器控制器由指令的操作码OP字段4位，通过真值表，自动生成各个控制信号的组合逻辑。3.2可支持理想流水线的多周期CPU设计3.2.1总体设计理想流水线的多周期CPU设计方案为将指令执行过程分为取指IF、指令译码ID、执行EX、数据存取MEM、写回W