32位RISC嵌入式微处理器设计研究

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1、桂林工学院硕士学位论．文摘要嵌入式微处理器被大量应用于消费市场上的各种数字设备中，如手机、数码相机、数码摄像机以及汽车信息系统。由于消费电子市场的快速发展，嵌入式微处理器市场正不断扩大。传统的嵌入式微处理器的主要设计目标是低成本、低功耗以及小的芯片面积。但随着嵌入式应用对计算能力的要求不断提高，对高性能的32位嵌入式微处理器的需求在持续上升。因此研究高性能32位嵌入式微处理器的设计与开发是非常重要的。本文的目的是设计一32位RISC的嵌入式微处理器(取名为MoonCore)。在对嵌入式微处理器通用结构研究的基础上，参考MIPSI指令系统，确定了微处理器微体系结构。所设

2、计微处理器采用5级流水线的结构，即取指＆译码(IF&ID)、读寄存器堆(RF)、执行(EXEC)、访存(DMEM)和写回(WB)。详细介绍了各个流水级的主要部件的设计。流水线相关的问题直接影响微处理器的性能，本文介绍了流水线设计中的三种相关问题，分析了流水线相关的各种解决办法并阐述了本设计中解决三种相关问题的方法：采用指令存储器和数据存储器分离的结构，避免了结构相关的产生；采用数据旁路的技术解决了数据相关；采用延迟槽技术，由编译器负责向延迟槽填入指令，解决了控制相关。采用有限状态机的方法设计出微处理器的控制器。验证是微处理器的设计过程中最为关键的一个环节。所设计的微处

3、理器片上集成了UART接口，能够通过RS232接口和PC通讯，方便的完成验证。本文还介绍了所设计微处理器的验证，包括功能仿真、验证的流程和方法，并将设计的的微处理器下载到A1tera公司的FPGA芯片中进行了硬件功能验证。关键词：微处理器，精简指令集计算机，流水线，可编程逻辑器件，验证桂林工学院硕士学位论文AbstractEmbeddedmicroprocessorsareincreasin91yusedindigitalappllancesaimedattheconsumermarket，suchascellularphones，digitalcameras。and

4、carinformationsystems．WiththedramaticincreaseinconsumerelectroniCmarket，theembeddedmicroprocessormarketiSincreasingatarapidrate．SomeofthekeygoalSfortraditionalembeddedmicroprocessorsdesignarelowcost，smallarea，anlowpower．Withtheneedforhighperformanceinembeddedapplicationsincreasing，thede

5、mandforhighperformance32一bitembeddedmicroprocessorfrommarketrisesharply．SoitiSimportantresearchdesign32一bitembeddedmicroprocessor．ThepurposeofthiSdissertationiStodesigna32一bi’tRISCembeddedmicroprocessor(namedMoonCore)．TheProjectimplementedahasiCarchitectureofmicroprocessoronthebaseofmic

6、roprocessorgeneralarchitectureandMIPSIinstructionsystem．MicroProcessoriSdesignedbyfive—stagepipeinewhichincludesIF&ID(InstructionFetch&InstructionsDecode)、RF(RegisterFetch)、EXEC(Execute)，DMEM(DataMEMoryaccess)andWB(WriteBack)andintroducesthedesignofmainmodulesofmicroprocessorindetail．Be

7、causetheperformanceofpipelineiSdeterminedbythreekindsofhazards，thiSdissertationusesseparatedinstructionmemoryanddatamenmorytoresolvestructurehazard，delayslotwhereunrelatedinstructioniSwrittenintobycompilertoresolvecontrolhazard，anddatabypasspath(ForwardUnit)technologyiSadoptedt