流水线寄存器：
PC IFDC DCEX EXWB WBXX
全局模块：
PC(#32)
Instruction(#16) ALU_OP(#4), DW(#1),WB(#1), WBData_Sel(#1), Reg0(#32),Reg1(#32),Imm(#5),RegAddr0(#5),RegAddr1(#5)
WB(#1),WBData(#32),WBAddr(#5)
WB(#1),WBData(#32),WBAddr(#5)
加法器：
选择器： 译码器： Register File：
ALU： ByPass Controller：
3.3 流水 CPU 指令集
四、仿真结果
五、心得体会
这次课设最后的结果令自己感觉挺意外的，因为在刚开始课设前是觉得自 己最后可能都做不出来，但最后自己提前完成了课设，感觉挺有成就感的，收 获也很大。
• 3.2.2 控制电路 – 从数据通路接收指令码，进行译码产生控制信号； • 多路选择器的选择 • 寄存器堆栈写信号 • 流水线寄存器写信号 • 流水线寄存器清除信号 • 存储器写信号 • ALU 操作信号 • 运算指令（加减、逻辑运算）
运算指令（bypass）
ACLK
ADD r1, r0
IA
ST r2, r1
reg [3:0] reg reg reg
DC_ALU_OP; DC_WB, DC_DW, DC_LD; IFDC_W; IFDC_Flush;
//ALU operation code from decoder //writeback,store,load sigal from decoder //write signal for IFDC register //clear signal for IFDC register
三、体系机构设计
3.1 5 段流水线设计
3.2 设计步骤
• 3.2.1 数据通路的设计 – 数据流向 • 存储器 Instruction Memory, Data Memory， • 寄存器堆栈 Register File, • 流水线寄存器 Pipeline Register， • 运算器 ALU, • 多路选择器 multiplexers.
3.1 5 段流水线设计 .........................................................................5 3.2 设计步骤 .......................................................................................5 3.3 流水 CPU 指令集.......................................................................11 四、仿真结果........................................................................................... 12 五、心得体会........................................................................................... 14 参考文献...................................................................................................15 附录（代码）........................................................................................... 16
最后就完成了课程设计，整个过程中自己对硬件的编程有了进一步的认 识，也培养了自己对硬件开发的兴趣，最关键的是，自己调通了代码，也让我 增加了信心。在最后再次感谢张俊老师对我们的鼓励和耐心指导。
参考文献
[1] 潘松 黄继业 陈龙，《EDA 技术与 Verilog HDL》，清华大学出版社，2010 年 1 月
最 后 通 过 使 用 multisim10.1d 仿 真 各 个 组 件 通 过 ， 并 使 用 quartus ii 完成连线并仿真。得到想要的结果
关键词：流水 CPU；EDA；RTL；精简指令集
一、课程设计目的
掌握硬件描述语言 Verilog HDL 的语法及设计技巧，了解 Quartus II 软件的 应用，学习 Quartus II 环境下设计 CPU 的基本过程；掌握 CPU 设计代码的含 义以及 CPU 的工作原理；了解 CPU 与内存 RAM 间的连接数据的传输过程；
中南大学
题 目： 课题名称： 指导老师： 学 号： 姓 名：
流水线 CPU 设计 EDA 课程设计报告
张俊 0903130323
胡慧
目录
摘要 ............................................................................................................. 3 一、课程设计目的 ....................................................................................4 二、课程设计要求 ....................................................................................4 三、体系机构设计 ....................................................................................5
ADD r1, r0
IA
ｘｘｘ
ST r2, r1
ADD r1, r0
IA
ｘｘｘ
ｘｘｘ
ST r2, r1
IF
DC
EXΒιβλιοθήκη WBEX-EX ByPass
IA
IF
DC
EX
WB
IF
DC
EX
WB
WB-EX ByPass
IA
IF
DC
EX
WB
IF
DC
EX
WB
IA
IF
DC
EX
WB
体系结构设计总流程图：
3.2.3 组件设计 全局模块：
接下来便主要是编写程序了，在这个过程中，张老师提供了很多帮助，耐 心的解答我们的问题，帮我们看程序的问题，同时自己和同学在写代码的过程 中也会进行讨论，因此整个代码的完成过程还算是比较轻松的。
完成代码后，就是仿真调试的过程了，这个过程就整个课设来说应该是最令 人头疼的部分了，自己开始就感觉无从下手，在张老师帮忙调试了一个错误 后，自己便对调试找错误有了一些头绪，其实我从开始调试到最后调通的这个 过程是很神奇的，开始一直进行到 18 就出错了，自己按照老师的方法分析了下 后，并不是太清楚到底错误出在哪里，因为觉得那块的逻辑是正确的，各种细 节在自己的再三检查和确认后也没发现错误。就这样自己弄了一上午，也没能 解决问题，而之前和自己一起讨论一起写代码的同学运行的情况比我的好很 多，于是我就想着对比下自己和她的代码，来发现错误。对比代码后发现我们 整体的逻辑框架都是一样的，不同的就在于立即数的处理那块，她是先赋值给 一个变量，这个变量在复位时会清零，我是直接使用变量，我仔细想了下，那 块应该确实是有影响的，不然复位这个操作就对该变量没有影响，我在做了修 改后，终于仿真过了 18，接着又停在了 38。而接着对比代码，发现区别就在于 IFDC_Flush 下的处理不同，她是只将变量清零了，而我还将控制信号也清零 了，在做了修改后，竟然一下子就成功了，显示 Simulation completely successful。看到这个结果自己欣喜万分，但同时也觉得挺震惊的，因为在自 己的意识里，是觉得复位，清空这些操作影响不大的，当不确定时就把所有的 信号变量都做处理，但自己这次的主要问题就是出在了复位和清空上。
摘要
本次课程设计基于 EDA，通过 quartus II 软件，学习了解流水 CPU 的内部 结构及工作原理，通过自顶向下的设计方法设计了 5 级流水 CPU 并进行仿真。
本设计将 CPU 分为取址令阶段（IA、IF）、译址令阶段（DC）、指令执行阶 段（EX）和数据回写阶段（WB）。根据精简指令集对流水 CPU 进行体系结构设 计并进行 RTL 编码。 由于使用到了五级流水，我打算将整个部分分成五个模块，用于处理各个时期系 统将做的工作，其中每个模块块代表一个时间周期的寄存器及其逻辑器件，模块 之间使用相对应的控制相连接。
reg [31:0] wire [31:0]
RegFile[31:0]; Reg0, Reg1;
//PC register //new data for PC //select signal for PC
//pipeline register for IFDC //branch condition from decoder //register file //operand 0 and 1
课设开始时，老师先讲了 CPU 的基本流程，自己听着有些晕乎，和同学 讨论以及向老师请教后，觉得对整体的框架有了一定的认识，在这个时候就觉 得其实这整个过程的完成和之前课上学到过的状态机其实差不多，只不过是细 节更多。在有了这样的认识后，自己便决定开始动手写第一部分的代码。第一 部分逻辑简单，但因为距离 EDA 课程结束时间较长，因此一些基本的语法细节 都忘的差不多了，这也告诉我们自己平时要多练习。
附录（代码）：
module RISC16(CLK, Rstn, InstAddr, Inst, DW, DAddr, WData, RData);