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1、计算机系统结构课程设计指导一、课程设计的任务利用已有计算机组成原理知识，VHDL语言知识、以及对计算机系统结构的初步学习，设计一个包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器组、存储系统、流水线结构等的CPUo二、设计思想利用电原理图和VHDL语言相结合的设计思想。层次结构的设计方法。三、具体步骤四、示例指令集设计汇编语句操作码功能描述指令类型ADDDR,SR00000000DR+SRTDRSUBDR,SR00000001DR-SRTDRDECDR00000010DR-1TDR算术逻辑INCDR00000011DR+l^
2、DR指令CMPDR,SR00000110DR-SR比较ANDDR,SR00000111DRandSRTDR逻辑与ORDR,SR00001000DRorSRTDR逻辑或NOTDR00001001/DRDR逻辑非XORDR,SR00001010DRxorSR->DR异或TESTDR,SR00001011DRandSR,测试SHLDR00001100逻辑左移，最低位补0,最高位移入CSHRDR00001101逻辑右移，最高位补0,最低位移入CSARDR00001110算术右移，最高位右移，同时再用白身的值填入MOVDR,S
3、R00001111SR9DR数据传送LOADDR,SR01000001[SR]TDR指令STOREDR,SR01000010SR->[DR]MOVIJR,1MM010000111MM9DR(双字指令)LOADHIMM00100000TMMTRI5高8位LOADLTMM00100001TMMTRI5低8位PUSHSR01000110SR入栈POPDR01000111出栈9DRJRADR00010000无条件跳转到ADR,ADR二原PC值+OFFSET控制转移JRCADR00010001当C=1时，跳转到ADR,ADR二
4、原PC值+OFFSET指令JRNCADR00010010当C=0时，跳转到ADR,ADR二原PC值+OFFSETJRZADR00010011当7=1时，跳转到ADR,ADR二原PC值+OFFSETJRNZADR00010100当7=0时，跳转到ADR,ADR二原PC值+OFFSETNOP11000000空操作其他HALT0001000011111111停机(JROXFFFF)概念设计指令流水的棊木思路是把每条指令划分为儿个执行步骤，这些步骤在执行过程屮使用不同的资源从而在时间上能重叠起来，提高了整体工作负载的吞吐率。
5、我们将每条指令划分为“収指”、“译码”、“执行”、“访存”、“写冋”这五个执行步骤。五级流水概念图取指1译码I执行P、访存IK写回］(IF)L(ID)I(Ex)
6、/(MA)L/(WB)I图20五级流水概念图2.4.1.3时序设计五级流水的时序设计相对两级流水要复杂。在两级流水中，「h于我们对时序的精巧设计,避免了相关问题的出现，但五级流水单凭吋序安排是无法解决所有相关问题的，必须综合考虑各种情况。•结构相关的处理rh于我们的设计中不包含缓存，因此会有取指和访存的冲突，即结构相关(见下图)。图21五级流水结构相关示意图
7、当冲突发生时，必须先“访存”，将“取指”延后一个时钟周期，这样才能保证指令的正确执行。处理结构相关需要做两项工作：1)冲突检测2)取指延后。1)冲突检测只有执行访存指令(LOAD/STORE)时，才会出现冲突。因此，我们在译码时产生一个标志是否访存的信号wrMem。含义如下：wMem意义00写内存(STORE)01读内存(LOAD)IX不占川内存表16wMEM控制信号通过检查“访存阶段”的m_wrMem就可确定是否冲突。2)取指延厉在每次取指时，若有冲突，则往IR中写入空指令(NOP),并保持PC不变，使取指延后一个
8、节拍。•数据相关的处理数据相关是指在执行木条指令的过程屮，如果川到的操作数是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写回寄存器或主存Z后，本条指令才能继续执行［3］。我们采用设置专用数据通路（即傍路技术）來解决数据相关问题。但旁路技术并非一•劳永逸。若前-•指令为LOAD,而后-•指令和它数据和关，如下图所示，当下一指令的执行阶段需要数据吋，上一•指令尚未给出，这种情况是无法用旁路技术来解决的。一*Reg针对上述情况的一般处理方法是通过插入bubble使LOADZ后的两条指令拖后一个节扑I执行［4］
9、。但我们感觉这种处理过于繁琐。我们发现，如果在LOAD译码时，后面口动加一条空指令，即增加冗余，就口J以避免上述情况的出现。在这种简化处理后，我们将数据相关划分为以下三种情况。1.相邻指令数据相关举例：INCR0INCRO在此情形下，将上一指令的ALU输出经缓存后直接送回，作为ALU多路选择器的入口0—，如下图所示。►L―>—►—►—►、>LU
