1、毕业设计文献综述计算机科学与技术单周期和多周期专用CPU设计摘要随着CPU技术发展的日新月异，我们对于CPU及其结构的关注度也越来越高。本文首先讨论单周期专用CPU的内部逻辑设计，在此基础上，运用有限状态机来实现多周期CPU硬布线控制器的设计。关键词硬布线控制器；单周期CPU；多周期CPU；有限状态机随着信息技术的迅猛发展，计算机已经成为了人们日常生活中不断或缺的一个组成部分。在经济全球化和网络普及化的今天，计算机对于人们的影响也越来越大。而作为计算机的核心设备，CPU也在不停地更新换代并越来越受到人们的关注和重视。多线程、多核理论的产生，使得CPU的革新速度又得到进一步的提升。人们对于利用信
2、息技术改善工作和生活体验的追求是永无止境的，就像很多电脑玩家如今虽已在基于双核或四核CPU的个人电脑上享受到了更快更强大的操作系统、办公软件、3D游戏等应用，但这并未影响他们对未来的CPU及电脑的憧憬。下面介绍CPU的设计技术。在文献2中，它主要介绍了CPU的功能和内部构造。中央处理器（CENTRALPROCESSINGUNIT，CPU），是电子计算机的主要设备之一，它具有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工的功能。CPU的基本结构、功能及参数CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。寄存器组用于在指令执行过后存放操作数和中间数据，由运算器完成指令所规定的运算及操作。CPU往往采
3、用硬布线逻辑实现。一般的CPU可分为通用CPU和专用CPU。正如文献4中分析的一样通用CPU，顾名思义，就是能够应用于广阔的领域的CPU。作为通用CPU，理所当然强调它的高性能化和高功能化，以便最普通的大众也觉得用得“简单”和“顺手”。通常，通用CPU的功能只限于CPU的功能，即控制功能和运算功能，而将对输入输出管理的功能转移到其他芯片上，从而可以适应各种领域。专用CPU对于通用CPU而言，是一个可编程处理器，针对某一特定类型的应用进行了优化。这些特定类型的应用具有共同的特点，例如嵌入式控制、数字信号处理等，典型的专用处理器有单片机、数字信号处理器等。在专用处理器的设计过程中，设计者可针对现实
4、中的应用对通用处理器的数据路径进行优化，可能是增加专门的功能单元执行常用运算以及删除不常用的其他功能单元。硬布线控制器又称组合逻辑控制器，它将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，产生各种控制信号。这文献1中有详细描述硬布线控制器又称组合逻辑控制器，以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。硬布线控制的功能由逻辑门组合实现。硬布线控制逻辑主要取决于电路延时，因而在超高速机器中，对影响速度的关键部分如核心部件CPU，往往采用硬布线逻辑实现。近年来，在一些新型计算机系统中，RISC精简指令系统计算机中，一般都选用硬布线逻辑电路。与微程序控制器相比，硬布线控制的速度较快。其原因是微程序控
5、制中每条微指令都要从控制存储器中读取一次，影响了速度，而硬布线控制主要取决于电路延迟。另外，随着新一代机器及VLSI技术的发展与不断进步，硬布线逻辑设计思想又得到了重视，现代新型计算机体系结构RISC中多采用硬布线控制逻辑。一个CPU处理指令需要以下几个步骤（1）取指令（IF）根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，然后转到译码状态。同时，在PC中产生取下一条指令需要的指令地址。（2）指令译码（ID）对取指令操作中得到的指令进行译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相应的控制信号，驱动执行状态中的各种动作。（3）指令执行（EXE）根据指令译码得到的控制信号，具体地执行指令动
6、作，然后，转移到结果写回状态。（4）存储器访问（MEM）所有需要访问存储器的操作都将在这个步骤中执行，该步骤给出访问存储器的数据地址，把数据写入到存储器中数据地址所指示的位置或者从存储器中的得到数据地址所指示的数据。（5）结果写回（WB）该步骤负责把指令执行的结果或者访问存储器中得到的数据写回到相应的目的寄存器中。我们需要在专用CPU的数据通路和控制线路下，通过指令的编译，执行CPU内部指令，实现其功能。在单周期CPU中，每条指令的执行需要一个时钟周期，而每个时钟周期的时间长短都是一样的，因此在确定时钟周期的时间长度时，要保证每条指令都已经正确完成，因此要考虑指令集中最复杂的指令执行时所需时间
7、。而在多周期的CPU中，要根据指令的不同，在不同的周期完成不同的任务，这就需要一个有限状态机来实现其功能。与单周期CPU相比，多周期CPU只用了一个存储器模块，指令和数据均存于其中。PC1和转移地址的计算由ALU完成，而不像单周期CPU那样使用专用加法器，而为了保存同一指令在不同周期的数据，需要更多的寄存器，这需要我们考虑通过一个有限状态机将各个指令有效地在时钟周期中执行。一个有限状态机是由一组状态及状态间的装换规则组成。转换规则由一个后继状态函数确定，它将现有状态和输入映射到一个新的状态。当用一个有限状态机描述控制时，每个状态都对应一组控制信号输出寄存器堆、ALU以及存储器等器件和不同状态下
8、的数据通路和都是我们在CPU内部逻辑中所需要考虑到的。具体地来说，我们需要利用QUARTUSII编译指令，确定各部件各状态下的数据通路，模拟出电路图，在时钟周期内完成所指定的任务。将CPU内部指令集合并分别在单周期和多周期的条件下进行实现，这时我们所需要完成的主要任务。对CPU内部逻辑设计和结构的探究，将利于我们更好地看到CPU的作用和未来发展方向。CPU发展日新月异，不难想象，未来的CPU将是一个兼备超高性能、能效和丰富功能的芯片，这就需要我们在技术上和结构上同时革新，才能更好地提升其性能。我们也相信，通过对本课题的研究，我们对于CPU的认知也将越来越详细周全。参考文献1戴志涛，周锋，杨旭东，张杰计算机组成原理北京科学出版社20082朱子玉，李亚民CPU芯片逻辑设计技术北京清华大学出版社2005013易建勋微处理器CPU的结构与性能北京清华大学出版社20034贺敬凯，基于FPGA的专用CPU的设计深圳深圳信息职业技术学院学报20085CPUDESIGNCHANDRAMRTHIMMANNAGARI著，SPRINGERUS。6CPUDESIGNANSWERSTOFREQUENTLYASKEDQUESTIONSCHANDRATHIMMANNAGARI著，SPRINGER。
