基于FPGA的微处理器设计.doc

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1、毕业设计（论文）设计(论文)题目基于FPGA的微处理器设计摘要本文使用结构化编程方法，将微处理器内核按照功能划分为不同的模块，采用VHDL语言设计每一个模块的内部功能和外围接口，设计实现了一种基于FPGA芯片的微处理器系统。该微处理器主要由控制器、运算器和寄存器组成，具有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工等基本功能，可实现四位操作数的各种运算，其指令长度为16位定长，采用了直接寻址方式。最后采用QUARTUSII对设计进行了仿真测试，结果表明设计实现了微处理器的主要功能。关键字：FPGA，微处理器，VHDLABSTRACTAmicroprocesso

2、ronFPGAisrealizedbyusingstructuredprogramming.ThismicroprocessorcoreisdividedintoseveraldifferentfunctionmoduleswhicharedesignedusingVHDL.Themicroprocessorconsistsofcontroller,arithmeticunitandregisters.Itrealizestheinstructioncontrol,operationcontrol,timesequencecontrolanddatapr

3、ocessingfunctions.Thedirectaddressingmodeisadopted.Thevariousoperationsfor4bitoperandcanbeachieved.Itsinstructionlengthis16bit.ThedesignissimulatedbyusingQUARTUSII,andtheresultsshowthatthemainfunctionsofamicroprocessorareachieved.KeyWords:FPGA,CPU,VHDL目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1背景11

4、.2微处理器的概况11.3课题研究方法及技术背景11.3.1研究方法11.3.2技术背景21.4课题工作内容3第二章微处理器体系结构42.1CPU的功能和构成42.2指令系统分析52.2.1RISC与总线结构52.2.2指令系统62.3指令时序分析82.3.1RISC与流水线82.3.2程序计数器与流水线82.4CPU整体结构即设计思想92.4.1CPU的外部引脚规划92.4.2CPU的整体框图102.4.3CPU结构的层次划分11第三章CPU数据通路设计123.1程序计数器模块PC123.2程序存储器PC_RAM133.3指令寄存器模块143.4时钟发

5、生器模块143.5寄存器堆TRAM153.6ALU模块16第四章CPU控制单元的设计184.1控制器Control模块184.2有限状态机FSM模块194.2.1有限状态机194.2.2利用的VHDL语言进行状态机描述19第五章RISCCPU的仿真验证215.1各模块的组合215.2综合RTL电路图215.3RISCCPU的功能仿真验证245.3.1算术运算类指令验证245.3.2逻辑运算类指令验证255.3.3移位类指令验证255.3.4LD数据输出指令仿真265.3.5ST运算数据存储仿真265.4总结27第六章总结和展望28参考文献29致谢错误！未

6、定义书签。附录30第1章绪论1.1背景随着数字通信和工业控制领域的高速发展，超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，要求专用集成电路(ASIC)的功能越来越强，功耗越来越低，生产周期越来越短，这些都对芯片设计提出了巨大的挑战，传统的芯片设计方法已经不能适应复杂的应用需求了，将整个应用电子系统集成在一个芯片中(SOC)，已成为现代电子系统设计的趋势。简单来说，SOC是一种将多个独立的VLSI设计拼合在一起，来形成某一应用所需的全部功能的集成电路，以其高集成度、低功耗等优点越来越受欢迎[1]。中国的电子信息产业现在增长迅速，主要集中在移动通信设备、数据通

7、信设备、计算机及消费产品领域。考虑到我国电子信息市场的特殊性，即巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖进口的状况。巨大的市场的需求决定了开发SOC的必要性，现在数字家电的片上系统研究己经成为研究的热点之一。研究SOC的设计方法和验证方法具有很大的现实意义[2-3]。其中CPU是SOC的重要组成部分，可以完成简单的数据处理，内存的调度，中断处理等操作。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP核、可重构的嵌入式处理器核以及各种强大EDA的开发工具的迅速发展，使得设计者在EDA工具的帮助下完成整个系统从行为算法级到物理结构级的全部设计，并最终将一个电

8、子系统集成到一片FPGA中，即SOPC。可见，SOPC是基于FPGA解决方案的S