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毕业设计概述
1.1毕设目的
计算机组成原理是计算机专业的核心基础课。该毕业力图以“培养学生现代计算机系统设计能力”为目标，贯彻“强调软/硬件关联与协同、以CPU设计为核心/层次化系统设计的组织思路，有效地增强对学生的计算机系统设计与实现能力的培养”。毕业设计是完成该毕业并进行了多个单元实验后，综合利用所学的理论知识，并结合在单元实验中所积累的计算机部件设计和调试方法，设计出一台具有一定规模的指令系统的简单计算机系统。所设计的系统能在LOGISIM仿真平台和FPGA实验平台上正确运行，通过检查程序结果的正确性来判断所设计计算机系统正确性。
毕业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，而且通过进行中央处理器底层电路的实现、故障分析与定位、系统调试等环节的综合锻炼，进一步提高学生分析和解决问题的能力。
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。在学有余力的前提下，可进一步扩展相关功能。