清华大学CPU设计实证：串行、两级与五级流水线对比研究

本文档深入探讨了串行流水线、两级流水线和五级流水线CPU的设计与测试，以清华大学计算机科学与技术系的计算机专业实践报告形式呈现。实验目标旨在让学生在实践中运用理论知识，设计并实现一个16位微处理器，涵盖指令系统、寻址方式、寄存器结构、数据表示、存储器、运算器、控制器和流水线结构等关键组件。 在实验方法部分，首先介绍了实验的目的，即通过综合应用计算机硬件、软件和应用技术，提升学生的实际操作技能、创新思维以及团队协作能力。学生需自行设计CPU，包括不同流水线级别的概念设计、时序设计，如串行流水线中的系统级设计、结构级设计，以及两级流水线和五级流水线的具体设计步骤。 对于串行流水线CPU，设计者需关注单个指令的执行顺序，而两级流水线则引入了指令解码和执行并行化，提高了处理速度。五级流水线则进一步细化了指令处理流程，如取指、解码、执行、内存访问和写回，使得CPU能同时处理多个阶段，显著提升了CPU性能。 在结构设计阶段，文档详细描述了整体逻辑结构和关键模块的详细设计，如寄存器阵列、ALU、控制逻辑等。此外，使用VHDL硬件描述语言进行逻辑设计，展示了现代设计工具在模拟和测试中的应用。 测试报告部分，包括了测试方法的选择，如功能测试和性能评估，以及具体的测试程序和结果。性能分析着重于流水线设计如何影响CPU的吞吐量、功耗和延迟等方面。通过这些测试，学生可以了解设计的优劣并对其进行优化。 总结部分回顾了实验的成果，强调了实验在培养学生能力方面的重要性，同时指出该通用CPU适用于对速度要求不高、非专用场景的低端市场，具备一定的市场竞争力。然而，目前仍存在性能提升空间，特别是在速度和指令定制化方面。 本篇文档提供了一个全面的教程，涵盖了从理论到实践的CPU设计全过程，对于理解CPU流水线工作原理和设计方法具有很高的参考价值。