基于FPGA的五段流水CPU设计

目 录
1 毕业设计概述 1
1.1 毕设目的 1
1.2 设计任务 1
1.3 设计要求 1
1.4 技术指标 2
2 总体方案设计 4
2.1 单周期CPU设计 4
2.2 单周期多级中断机制设计 10
2.3 流水CPU设计 12
2.4 气泡式流水线设计 13
2.5 数据转发流水线设计 14
2.6 动态分支预测机制 15
3 详细设计与实现 17
3.1 单周期CPU 实现 17
3.2 中断机制实现 22
3.3 流水CPU实现 25
3.4 气泡式流水线实现 27
3.5 数据转发流水线实现 28
3.6 动态分支预测机制实现 30
4 实验过程与调试 34
4.1 功能测试和性能分析 34
4.2 主要故障与调试 39
4.3 实验进度 44
5 设计总结与心得 45
5.1 毕设总结 45
5.2 毕设心得 45
参考文献 47
1.2设计任务
本毕业设计的总体目标是利用FPGA以及相关外围器件，在毕业实验中完成的单周期cpu基础上，完成单周期cpu在FPGA开发板上的正确运行，并改造设计五段流水CPU，要求所设计的流水CPU系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存中的程序的功能，对主要的数据流和控制流通过LED、数码管等适时的进行显示，方便监控和调试。对于五段流水，要求分别使用气泡、重定向、分支预测等方式处理数据冲突和控制冲突等，此外，还要求支持中断请求。尽可能利用EDA软件或仿真软件对模型机系统中各部件进行仿真分析和功能验证。本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=15109在学有余力的前提下，可进一步扩展相关功能。
1.3设计要求
（1）根据毕业设计指导书的要求，制定出设计方案；
（2）分析指令系统格式，指令系统功能。
（3）根据指令系统构建基本功能部件，主要数据通路。
（4）根据功能部件及数据通路连接，分析所需要的控制信号以及这些控制信号的有效形式；
（5）设计出实现指令功能的硬布线控制器；
（6）调试、数据分析、验收检查；
（7）毕业设计报告和总结。
1.4技术指标
（1）支持表 1.1的27条基本32位MIPS指令；
（2）支持教师指定的4条扩展指令，即表1.1中的最后四条指令，分别任blez、xori、sltiu和lbu；
（3）支持多级嵌套中断，利用中断触发扩展指令集测试程序；
（4）支持5段流水机制，可处理数据冒险，结构冒险，分支冒险；
（5）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。
（6）能运行教师提供的标准测试程序，并自动统计执行周期数。
（7）对于基本指令，测试程序一次性运行，对于扩展指令，要求单步手动执行，一次执行一段。
（8）能自动统计各类分支指令数目，如不同种类指令的条数、冒险冲突次数、插入气泡数目、load-use冲突次数、动态分支预测流水线能自动统计预测成功与失败次数。

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<!-- Product Version: Vivado v2015.2 (64-bit)              -->
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