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[摘要] 本实验利用SystemC作为开发工具,Visual Stdio 2005作为开发平台,设计实现了一个5周期流水线的MIPS CPU,使其能够执行一些基本的MIPS指令(加法,位移,条件跳转和绝对跳转),利用 Forwarding技术消除了 采用 MIPS 设计架构所带了的Hazard。并且配套设计了一个四路组关联的Cache。在 MIPS 的流水设计上,笔者采用了控制信号分阶段译出、指令各个阶段保存的创新性设计思想,虽然此设计并不具有相对于李亚明教科书上设计的优势,但笔者通过自己的实践感觉受益匪浅。
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MIPS 处理器的设计与实现
[基于 SystemC]
F0603028
5060309078
朱一和
2008-4-2
[摘要]
本实验利用 SystemC 作为开发工具,Visual Stdio 2005 作为开发平台,设
计实现了一个 5 周期流水线的 MIPS CPU,使其能够执行一些基本的 MIPS 指令
(加法,位移,条件跳转和绝对跳转),利用 Forwarding 技术消除了 采用 MIPS
设计架构所带了的 Hazard。并且配套设计了一个四路组关联的 Cache。在 MIPS
的流水设计上,笔者采用了控制信号分阶段译出、指令各个阶段保存的创新性设
计思想,虽然此设计并不具有相对于李亚明教科书上设计的优势,但笔者通过自
己的实践感觉受益匪浅。
[关键字]
MIPS CPU SystemC Cache 四路组关联 控制信号分阶段译出
目录
实验目的 ................................................................................................................................................................... 6
实验工具 .......................................................................................................................................................... 6
实验要求 .......................................................................................................................................................... 6
SystemC .................................................................................................................................................................... 7
SystemC 介绍 ................................................................................................................................................ 7
SystemC 配置 ................................................................................................................................................ 8
步骤一:编译 SystemC 库 ................................................................................................................. 8
步骤二:更新 SystemC include file 和 library ............................................................................. 8
步骤三:创建 SystemC 应用程序 .................................................................................................... 8
SystemC 选用理由及体会 ........................................................................................................................10
MIPS 处理器基本原理........................................................................................................................................11
实现的指令集 ...............................................................................................................................................12
MIPS 指令执行过程 ..........................................................................................................................13
MIPS 流水结构 .............................................................................................................................................13
IF 阶段....................................................................................................................................................13
ID 阶段 ...................................................................................................................................................13
EXE 阶段................................................................................................................................................14
MEM 阶段 .............................................................................................................................................14
WB 阶段.................................................................................................................................................14
Hazard 处理 .................................................................................................................................................15
结构 hazard ..........................................................................................................................................15
数据 hazard ..........................................................................................................................................15
控制 hazard ..........................................................................................................................................16
Cache 原理 ...................................................................................................................................................17
Cache 的基本结构 ..............................................................................................................................17
Cache 与 DRAM 存取的一致性 .......................................................................................................18
SystemC 实现 .......................................................................................................................................................20
总体设计思想 ...............................................................................................................................................20
控制信号汇总 ...............................................................................................................................................21
hazard 处理设计.........................................................................................................................................22
数据 hazard ..........................................................................................................................................22
控制 hazard ..........................................................................................................................................22
基本元件 ........................................................................................................................................................23
指令加法器...........................................................................................................................................23
立即数符号扩展器 .............................................................................................................................23
寄存器堆 ...............................................................................................................................................24
指令 sll/slr/sra ALU 操作数提取.....................................................................................................25
ALU..........................................................................................................................................................25
流水五个阶段 ...............................................................................................................................................28
START_IF 中间寄存器 ........................................................................................................................28
IF_ID 中间寄存器 ................................................................................................................................29
ID_EX 中间寄存器..............................................................................................................................30
EX_MEM 中间寄存器 ........................................................................................................................32
MEM_WB 中间寄存器 ......................................................................................................................33
Hazard 处理 .................................................................................................................................................34
Cache 实现 ...................................................................................................................................................38
LRU 替换算法.......................................................................................................................................40
MIPS CPU 基本功能测试 ...................................................................................................................................45
测试 add,lw 和 branch ............................................................................................................................47
测试 lw,sw......................................................................................................................................................48
测试 addi,andi,ori,jump..............................................................................................................................49
测试 sll,srl,sra ...............................................................................................................................................50
测试处理数据 hazard .................................................................................................................................51
测试处理数据 hazard2 ..............................................................................................................................52
流水综合测试 ...............................................................................................................................................53
Cache 效果测试 ...........................................................................................................................................54
参考资料 .................................................................................................................................................................55
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