MIPS程序设计报告

组成原理实验报告

姓名学号

陈宝可 07055004

刘睿 07055013

林建财 07055040

指导老师：姜欣宁

2010年4月22日

一、总体设计思想

1.1 CPU简介

CPU是计算机的核心，其重要性好比大脑对于人一样，它负责处理、运算计算机内部的所有数据。CPU的种类决定了操作系统和相应的软件。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成，是PC的核心，再配上储存器、输入/输出接口和系统总线组成为完整的PC（个人电脑）。

单周期CPU 的特点是每条指令的执行只需要一个时钟周期，一条指令执行完再执行下一条指

令。再这一个周期中，完成更新地址，取指，解码，执行，内存操作以及寄存器操作。由于每个时钟上

升沿时更新地址，因此要在上升沿到来之前完成所有运算，而这所有的运算除可以利用一个下降沿外，

只能通过组合逻辑解决。这给寄存器和存储器RAM的制作带来了些许难度。且因为每个时钟周期的时

间长短必须统一，因此在确定时钟周期的时间长度时，要依照最长延迟的指令时间来定，这也限制了它

的执行效率。

下图是cpu设计的思路：

1.2系统主要框架

第一台电子计算机与1946年2月14日诞生至今，计算机的发展迅速，经历了电子管，晶体管管，集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路的时代，现在集成电路的设计已经接近极限，不过在发

展历程中，计算机的核心框架并没有太多的改变，仍然是由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、I/O设备。设计过程中主要以CPU(运算器+控制器)为中心。

如图是计算机组成原理图：

CPU 的功能：

设计的cpu主要是由ALU(运算器)和CU（控制器）两个核心部件构成，另外设计一些辅助器件。ALU处理整个计算机的计算，设计的ALU只能进行简单的算术运算，并不能够实现很强大的计算功能，CU是整个计算机的控制部分，它能够接收外界的响应，并控制计算机的其他部件完成特定的功能，CU 和ALU共同组成cpu的核心部件，处理整个计算机的事件。

CPU开发的进程：

设计初始时，成员讨论cpu所能实现的功能，cpu的组成部分，所需要的开发工具、语言、平台、参考资料等，明确了设计思想后，小组进行明确的分工，现在设计过程已经从最初的讨论进入初步的实践，小组成员正按照各自的分工进行cpu的设计开发。

设计成员的分工：

本小组由三名成员，林建财主要完成设计思路提出和最终的整合，陈宝可主要完成各个模块的设计，刘睿主要完成报告的编写以及提出相关的意见，设计过程中成员需要相互配合，相互支持分工没有明显的界限，成员可以扬长避短，各展所长。

CPU设计的工具：

现在存在很多的cpu开发语言，如VHDL硬件描述语言，V erilog HDL描述语言等等，它们都是非常优秀的开发工具，鉴于知识的局限性，这里只列出我们所学的工具。

Quartus® II design 是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip (SOPC)的设计环境。QuartusII design 提供完善的timing closure 和LogicLock™ 基于块的设计流程。QuartusII design是唯一一个包括以timing closure 和基于块的设计流为基本特征的programmable logic device

(PLD)的软件。Quartus II 设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmed devices开发的统一工作流程。

EDA技术

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标

芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的

整个过程的计算机上自动处理完成。

CPU开发的步骤

设计过程中，小组成员考虑的步骤如下1、设计定义和可综合的HDL代码2、逻辑综合3、版

图规划4、单元布局和优化5、静态时序分析（STA）、形式验证（FV）和可测性电路插入（DFT）。6、

后布局优化，时钟树综合和布线设计7、寄生参数的提取8、后仿真，以及时序和功耗分析9、ECO

（工程修改命令）修改。10、物理验证。目前已经完成了初期的开发过程，在后续时间中将完成后续步骤。具体步骤如下图

CPU的开发周期

根据设计的具体步骤以及前期所做的工作，我们大概需要4-5周的时间来完成设计，cpu的开发过程中主要花费的时间是在后期的调试和实现上，前期相对比较容易实现，大概需要1周左右的时间，后期需要投入较多的精力和时间。

1.3参考资料

《精通V erilog HDL语言编程》刘波电子工业出版社

V erilog HDL设计实践与指导刘秋云等机械工业出版社

1.4相关信息

主频

主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度

外频

外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。

CPU的位和字长

位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。

字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU 一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。

倍频系数

倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。

缓存

缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU

内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。

CPU扩展指令集

CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，

CPU内核和I/O工作电压

从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

制造工艺