开放式cpu设计与测试实验报告

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1、开放式CPU设计实验报告计11解利忠，李锡荣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ＣＰＵ设计与测试课题名称：串行、两级流水、五级流水ＣＰＵ设计与测试第42页共42页开放式CPU设计实验报告计11解利忠，李锡荣目录l1．引言31.1实验目的31.2国内外研究现状31.3实验环境41.4主要成果5l2．设计报告62.1实验方法62.2串行指令CPU部分72.2.1系统级设计72.2.1.2时序设计82.2.2结构级设计92.3两级流水CPU部分152.3.1系统级设计152.3.1.2概念设计162.3.1.3时序

2、设计162.3.2结构设计182.3.2.1总体逻辑结构设计182.3.2.2关键分模块结构设计212.4五级流水CPU部分232.4.1系统级设计232.4.1.2概念设计232.4.1.3时序设计242.4.2结构级设计292.4.2.1总体逻辑结构计292.4.2.2关键分模块结构设计31l3．测试报告333.1测试方法333.2测试程序343.3测试结果373.3性能分析39l4．总结414.1实验总结414.2取得的收获41第42页共42页开放式CPU设计实验报告计11解利忠，李锡荣l5．参考文献421．引言1.1实验目的

3、1．本实验以计算机硬件为主，兼顾计算机软件和计算机应用技术。在教师指导下，灵活运用所学到的基础知识和主要专业知识，自己设计、制作、调试，完成一个综合性、研究型的大型教学实验——16位微处理器研制。2．本实验需要自己设计并最终用FPGA实现一个CPU芯片。需要自己设计指令系统、指令格式、寻址方式、寄存器结构、数据表示方式、存储器系统，自己设计运算器、控制器和流水线结构等。用VHDL硬件语言进行逻辑设计，采用先进的工具软件进行模拟和测试，测试通过之后下载到FPGA芯片中，并在测试平台上通过规定测试程序的测试。3．在完成实验的过程中锻炼和

4、提高实际动手能力、创新思维、团队合作精神等方面的能力。4．本实验作为一个重要的教学实践环节，安排在本科生在课程教学基本完成之后，在综合论文训练之前，具有承上启下的作用。5．可能的应用前景：由于我们实现的是通用CPU，故大部分需使用CPU的场合都有可能使用，只不过目前只能用于对速度要求不高、对特殊指令要求不多（非专用CPU）的场合下。但由于其成本比较低，在低端市场也许有一定的竞争力。1.2国内外研究现状CPU在全球半导体工业中扮演着一个举足轻重的角色。大大小小，林林总总的ＣＰＵ被应用到从电子表到航天飞机等各式各样的系统产品中。从功能粗

5、分，ＣＰＵ可以被分为通用型ＣＰＵ、嵌入式ＣＰＵ与专用型ＣＰＵ三类。下边就先讲一下国际上这几类CPU的现状：1．通用型ＣＰU通用型ＣＰＵ是指用于ＰＣ的Ｘ８６系列（Ｉｎｔｅｌ,AMD）等，及最尖端用于工作站、伺服器的ＵｌｔｒａＳｐａｒｃ（ＳＵＮ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ），Ａｌｐｈａ （ＤＥＣ），Ｉｔａｎｉｕｍ（ＨＰ＋Ｉｎｔｅｌ）系列等。这些ＣＰＵ通常采用３２位或６４位指令，由宠大的研发团队（５００人至２０００人）设计，采用了全球最尖端的微处理器体系结构与电路设计技术，使用最先进的半导体工艺（如０．１３微米－０．１８微米）制成，工作时钟频

6、率可达１ＧＨＺ－２ＧＨＺ。2．嵌入式ＣＰＵ嵌入式ＣＰＵ是指那些用于非计算机类产品（如通讯产品，消费类产品及军用产品）的ＣＰＵ。它们以独立集成电路芯片的形式存在，或作为内核被集成到系统级芯片（ＳＯＣ）中。与通用型ＣＰＵ相比，它们并非追求最高的性能，而是“够用就行”。它们通常使用主流的半导体工艺（如０．２５微米－０．５微米）制成。指令在４位到６４位之间，工作时钟频率在几ＫＨＺ到几百ＭＨＺ之间。第42页共42页开放式CPU设计实验报告计11解利忠，李锡荣这类ＣＰＵ所含盖的范围非常之广，如广泛用于工业控制家用电路的Ｚ８０，８０５１，６５０２

7、等；用于手机的ＡＲＭ等；用于游戏机的ＭＩＰＳ等；都是其典型代表。这类ＣＰＵ通常采用传统的指令集。3．专用型ＣＰＵ专用型ＣＰＵ是指那些为了某种特定的应用而设计的并为这些特殊应用而将内部体系结构与指令集作了专门优化的ＣＰＵ，如用于多媒体应用的媒体ＣＰＵ（Ｍｅｄｉａ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）用于路由器等网络通讯产品的网络ＣＰＵ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ或称ＮＰＵ），及用于网络安全保障，数据加密解密的安防ＣＰＵ（Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ＣＰＵ）等。时钟频率为几百ＭＨＺ。在最近两年多的时间里，国产CPU如雨后春笋，2001年3月，中星微系统公

8、司开发出数码影像处理芯片"星光1号"；2001年7月，方舟公司的"方舟1号"嵌入式CPU问世；2002年9月，中科院计算所研制成功我国首款通用高性能CPU"龙芯1号"；2002年11月，上海复旦微电子公司推出高性能嵌入式32位微处理"