计算机组织与结构课程设计报告.doc

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： 1743723571@ 完成日期： 2015-04-02 周四下午 指导教师： 秦磊华 谭志虎 胡迪青 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 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： 支持20条基本指令 支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险； 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。 能正确运行教师提供的标准测试程序 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。 设计要求 支持20条基本指令。 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。 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。 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 根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案； 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； 设计出实现指令功能的控制器； 调试、数据分析、验收检查； 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: 第1天：到实验室布置任务和集中讲解。 第1~3天：学生查阅资料，开始方案设计。 第4天：中期进度检查，单周期CPU验收检查。 第6天：中期进度检查，理想流水线多周期CPU验收检查。 第10天：最终结果验收。 八、主要参考文献 DAVID A.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. David Money Harris(美).数字设计和计算机体系结构（第二版）. 机械工业出版社 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. 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. 张晨曦，王志英. 计算机系统结构. 高等教育出版社，2008年. 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 2 实验原理与环境 5 2.1实验原理 5 2.2 实验环境 5 3 总体方案设计 6 3.1 构建单周期CPU 6 3.2 可支持理想流水线的多周期CPU设计 7 4 详细设计与实现 10 4.1 构建单周期CPU 10 4.2 可支持理想流水线多周期CPU 14 4.3 流水线冲突检测器 20 4.4 插入气泡的流水冲突处理 21 4.5 数据重定向的流水冲突处理 24 4.6 动态分支预测的流水冲突处理 27 5 实验过程与调试 29 5.1 测试用例和功能测试 29 5.2 性能分析 29 5.3 主要故障与调试 30 5.4 实验流程 39 6 设计总结与心得 40 6.1 课设总结 40 6.2 课设心得 40 参考文献 43 课程设计概述 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。 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： 支持20条基本指令 支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险； 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。 能正确运行教师提供的标准测试程序 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。