基于tec-xp的流水cpu设计

,毕业 论文,基于TEC-XP的流水CPU设计-串口通信扩展,目录,1 方案选择,2 总体设计,3 仿真结果及分析,4 测试结果及分析,Content,5 总结,方案,Project,此次的毕业设计的目标，是以TECXP教学计算机系统FPGA部分为平台，采用16位的指令系统，在对其机器字长、寻址方式、主存、运算器、控制器、总线、接口、输入输出的技术规范进行详细研究的基础上，分析CPU内部功能模式，以及各个部件包括主存与输入输出设备之间的连接情况，运用计算机组成原理、EDA技术在Xilinx ISE开发环境下，使用VHDL硬件描述语言编程，使用ModelSim SE仿真调试对设计进行了功能验证，以实现指令系统的指令功能，以及运算器和控制器，CPU系统与内存和I/O系统、中断、有限状态自动机的设计。,本次设计中要设计一个支持指令流水的CPU，首先就要有易于划分流水段的指令系统。MIPS指令系统就是专门为支持指令流水设计的指令系统，并在当前的RISC体系结构中得到广泛的应用。本课题选取TEC-XP中FPGA部分完成CPU系统的设计，选择Xilinx公司的SPARTAN-II系列的芯片，20万门容量，其内部有2352个CLB，14个4Kb的RAM块，208脚的PQFP封装形式，支持在系统编程。,设计,Design,1 I/O功能的实现目前设计的实验计算机还只是一个单机系统，不具备I/O功能，因此将无法与PC机进行通信，这使得实验计算机系统在使用起来很不方便，而且也影响在其上进行实验设计。通过增加I/O能，PC机可以作为实验计算机的终端执行输入输出，再配合监控程序，形成了一个较为完善的计算机系统。,2 串行接口芯片要增加I/O功能，必须有串行接口芯片的支持。教学计算机主板上装有两个Intel 8251芯片，可以连接计算机终端或PC机的附加串行接口，或其他的串行接口设备。串行接口要通过一个电平转换芯片MC232与外部相连。本设计拟使用教学机上的COM1口作为I/O端口。3 内存接口文件的修改增加了I/O接口后，访存地址的最高两位有三种情况，分别为指令内存的访问、数据内存的访问、I/O访问。其中后两者访问的是同一个大的内存体。为了判断IF阶段和MEM阶段是否发生结构冲突，要重新判断它们是否访问同一个内存体。由于I/O端口的数据线与数据内存的数据线连接到了一起，因此在同一个时刻要保证8251和6116芯片中只有一个在工作。,设计,Design,1. IDEXE模块：,2. 气泡模块,3. 转发模块,4. 写回模块,仿真结果及分析,1.气泡模块的测试向量波形,仿真结果及分析,2.气泡模块的仿真结果,仿真结果及分析,3.转发模块的测试向量波形,仿真结果及分析,4.转发模块的仿真,测试结果及分析,减法指令的监控程序,测试结果及分析,减法指令的监控程序,测试结果及分析,其运行结果如图,总 结,在进行本毕业设计之前，首先对计算机组成原理、TEC-XP教学计算机进行了学习研究，对流水CPU的各个内部功能模块、工作流程及控制操作命令等关键技术进行了分析研究，在此基础上总结出了一种通用的计算机指令流程框架。同时，通过查阅相关资料，了解到流水CPU设计是将整个CPU的执行过程分成了几个阶段。与单周期的CPU相比，不仅使系统性能和资源利用率提高，还为组成指令流水线提供了基础。流水CPU的设计采用自顶向下的设计方法进行了功能模块划分，用VHDL语言实现了各描述设计，经过Xilinx ISE的编译后，选用单片FPGA器件设计实现一个16位字长的CPU系统,再配备上由静态存储器芯片构成的存储器和intel-8251串口电路，