实验报告---流水线cpu(处理器)的实现

1本科实验报告实验名称：流水线机制CPU的实现2一、实验内容和原理实验内容：1、分析ARM指令集，明确指令功能、指令在CPU中执行各阶段中的行为；2、设计ARM处理器的数据通路和控制通路，画出指令描述表和指令的状态转换图；3、利用Vivado软件，用Verilog硬件描述语言描述处理器中的各个分部件，每个分部件通过功能仿真；4、利用Vivado软件，用Verilog硬件描述语言实现分部件的互连，即实现数据通路和控制通路；5、编写测试用的汇编指令，并将汇编指令转换为二进制的指令编码，并且加载到处理器中的指令存储器中。6、将ARM处理器编程下载至FPGA实验板，运行测试程序，并通过开发板上的led或数码管显示执行结果。二、实验步骤与实验结果写出实验操作的总体思路、操作规范和主要注意事项；按顺序记录实验中每一个环节和实验现象。画出必要的实验装置结构示意图，并配以相应文字说明；（一）说明你所实现的ARM处理器是多周期还是流水线CPU；一共实现了多少条指令？测试通过了多少条指令？我实现的处理器是流水线的，一共实现了10条指令，测试通过了10条指令。（二）描述你的设计思路，如果你实现了多周期和流水线CPU，请分别描述多周期CPU设计思路：流水线处理器设计思路：由于将多周期的阶段分成五级流水，无法设置统一的控制信号，而是让每一级流水段根据自己输入的指令产生控制信号，即将各个控制信号分属到两级流水之间的寄存器当中。本想设计一个移位寄存器来将指令分别送入各级寄存器，但是发现3不是特别有必要这样做，因为可以将指令一级一级传递下去可以实现同样的功能。总共分五级流水，取指，译码，执行，存储，写回。如果指令之间出现相关则设置空指令，如果遇到空指令则所有控制信号为0，不产生任何有影响的操作。（三）对于实现的多周期处理器，为你所实现的指令画出指令描述表，和指令的状态转换图，一类指令可以画一个表或一个状态转换图助记符功能操作描述LDR加载字RF[rd]=Mem[Addr]STR存储字Mem[Addr]=RF[rd]ADD加RF[rd]=RF[rn]+Src2SUB减RF[rd]=RF[rn]-Src2AND与RF[rd]=RF[rn]&Src2ORR或RF[rd]=RF[rn]|Src2EOR异或RF[rd]=RF[rn]^Src2MOV移动RF[rd]=Src2CMP比较SetflagsbasedonRF[rn]-Src2B转移PC=PC+4+BranchAddr（四）画出你设计的处理器（多周期和流水线）的数据通路和控制通路的合成图，要求为viso图或其他可再次修改的图，不能仅用无法修改的图片4NPCNPCoutNPCopPCIMM32ALUABPCInstructionMemoryaddrInsRegisterFIlesRaRbRwWABCPSRMUXExtDataMemoryaddrWDMUXPCwr=1Imen=1Ins[32]Ins[32]Ins[32]EXTopNPCopImm32Rn:Ins[19:16]Rm:Ins[3:0]RdRd:Ins[15:12]RdALUSrcALUopRdALUoutS:Ins[20]RegDstDMwrDMoutRFwr流水线数据通路(viso图双击用viso打开)（一）如果你设计的是流水线CPU，描述你的设计思路，实现方法，和多周期实现时的异同。流水线实现的时候与多周期的相同之处在于各级部件均相同，控制信号也相似，不同之处在于多周期是状态机转换，控制信号统一生成，而流水线是分段处理，流水作业，各级流水线寄存器产生控制该级流水的控制信号。将一个指令分成5个相同阶段执行，可以提高并行性，充分利用硬件资源。（二）你的验证程序，汇编形式，带注释指令功能描述结果E3A01001MOVRF[1],1RF[1]=1E3A02001MOVRF[2],1RF[2]=1E3A06002MOVRF[6],2RF[6]=2E3A07005MOVRF[7],5RF[7]=5E1560007CMPRF[6],RF[7]Z=(RF[6]==RF[7]?)1:008000003B,3Z==1,跳至E5801000E0811002RF[1]=RF[1]+RF[2]RF[1]=RF[1]+RF[2]E0412002RF[2]=RF[1]-RF[2]RF[2]=RF[1]-RF[2]5E2866001RF[6]=RF[6]+1RF[6]=RF[6]+1E8FFFFF9B,-7跳至E1560007执行E5801000MEM[0]=RF[1]MEM[0]=RF[1]（七）你的实验结果见实验结果分析。三、实验结果分析说明分析方法（逻辑分析、系统科学分析、模糊数学分析或统计分析的方法等），对原始数据进行分析和处理，写出明确的实验结果，并说明其可靠程度；我将斐波那契数列计算到了5，结果应该显示1,2,3,5.最终结果为5八、问题与建议对实验过程中出现的问题进行描述、分析，提出解决思路和方法，无法解决的，要说明原因；记录实验心得体会，提出建议。流水线实现起来较多周期要容易一些，也可能是已经对软件操作比较熟练，差错的能力也提高了，所以将多周期改造成流水线的时候没花太多功夫，主要就是将控制信号分属到各个寄存器当中去，并对RF单独开一个读口给Rd字段，因为要在6一拍读出三个寄存器的值较为困难。还将RF的读功能取消时钟上升沿触发而是改成只要地址改变就读，这样可以节省在两个流水段之间的时钟周期数为1，取消ALUout寄存器以及CPSR，而将其结果直接输入下一个流水段之间的寄存器，目的同样是为了减少两个流水段之间的时钟周期为1。但是要保留PC的寄存器功能。四、实验总结本次实验我学会了使用Verilog硬件描述语言，通过软件设计的形式来设计硬件电路。Verilog语言不难学，类似于C语言，可以类比学习。数据通路以及CPU的设计都是数字电路基础以及计算机原理知识的综合运用。本次实验提升了我综合运用所学知识，分析，设计电路的能力，我体会到了计算机从业人员工作的不易和自己能力的薄弱。本次实验提升了我综合运用知识的能力和动手能力，但是不求甚解的态度让我不能更深入地体会学习的乐趣，没有追求实验的进阶项目。在今后的学习当中我应当更加刻苦，知其然知其所以然，刨根问底。