基于FPGA的SOC设计与验证

发布时间：2017-03-19 00:07

  本文关键词：基于FPGA的SOC设计与验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：SOC(System-on-Chip)称为系统级芯片,也称为片上系统,是一个有专用功能的集成电路,它包括完整系统和嵌入软件。SOC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高了ASIC的设计能力,因此发展非常迅速,引起了工业界和学术界的关注,SOC随之成为集成电路发展的必然趋势,因此准确高速的设计SOC的方法是SOC设计的迫切需要。首先,本论文介绍了FPGA的概念和组成部分,介绍了SOC和CPU的发展历程和发展前景,给出了SOC的设计背景和设计流程。其次,本论文针对自顶向下的设计一个SOC应用了一种准确的分析方法,即潜伏期分析方法,并且提出了一种高速的实现方法,即全流水线实现方法;并叙述了有限状态机理论;在设计过程中应用了TP(Ticks Process charts)图和SFM(Sequential Machine Flow)表的设计方法;应用这些理论方法完成了一个片上系统的架构设计,CPU的架构设计;完成CPU的指令系统设计,并对取指周期和路径,执行周期和路径,进行了精确的潜伏期分析;同时指令系统加入中断进入序列和中断返回指令RTI的潜伏期分析,给片上系统加入了中断功能。最后,论文采用verilog HDL语言进行片上系统和CPU各个模块的设计,板上系统SOB的架构设计和各个模块的设计,设计了流水灯和菲薄纳契序列(Fibonacci)的算法流程图,用汇编语言进行编写。Modelsim对流水灯和菲薄纳契序列(Fibonacci)进行仿真验证,然后将设计好的板上系统下板,流水灯的正常运行和菲薄纳契序列(Fibonacci)的正确运算证明设计的SOC的架构和CPU的指令系统是符合要求的,在流水灯运行的同时可以进行菲薄纳契序列(Fibonacci)的正确运算证明中断系统是符合要求的。
【关键词】：FPGA CPU 片上系统 有限状态机
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN47;TN791
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 FPGA简介11-12
• 1.2 CPU与SOC简介12-13
• 1.3 SOC的设计背景13-14
• 1.4 SOC的设计流程14-15
• 第2章 有限状态机（FSM）理论15-22
• 2.1 有限状态机15-20
• 2.1.1 有限状态机概念15-17
• 2.1.1.1 摩尔机15-16
• 2.1.1.2 米利机16-17
• 2.1.2 有限状态机的一段式和三段式编码17-19
• 2.1.3 线性序列机LSM19-20
• 2.2 状态转移图STG20-21
• 2.3 算法机和算法流程图21-22
• 第3章 同步设计理论22-27
• 3.1 同步设计22
• 3.2 潜伏期(latency)22-23
• 3.3 时钟节点(Pipeline Node)和时钟域(Clock Domain)23-26
• 3.4 时钟流分析26-27
• 第4章 SOC_001的顶层和指令系统设计27-44
• 4.1 CPU_001顶层设计27-28
• 4.2 片上系统SOC的顶层架构设计28-30
• 4.3 CPU的架构设计30
• 4.4 CPU指令系统设计30-34
• 4.5 CPU的中断设计34
• 4.6 CPU指令周期路径及潜伏期分析34-44
• 4.6.1 取指周期路径及潜伏期分析34-37
• 4.6.2 算术运算指令执行路径和潜伏期分析37-38
• 4.6.3 读数据指令执行路径和潜伏期分析38-39
• 4.6.4 写数据指令路径和潜伏期分析39-41
• 4.6.5 无条件跳转指令路径和潜伏期分析41-42
• 4.6.6 NOP指令潜伏期分析42
• 4.6.7 零标志跳转指令潜伏期分析42
• 4.6.8 中断进入序列和中断返回指令RTI的潜伏期分析42-44
• 第5章 CPU与SOC的模块设计44-62
• 5.1 CPU各模块设计44-55
• 5.1.1 指令译码器45-46
• 5.1.2 程序计数器46-47
• 5.1.3 算术运算器47-48
• 5.1.4 累加器48-49
• 5.1.5 地址多路器49-50
• 5.1.6 中断寄存器50-51
• 5.1.7 主控制器51-55
• 5.1.7.1 主控制器的状态转移图51
• 5.1.7.2 主控制器的代码和综合模块设计51-55
• 5.2 SOC各模块设计55-62
• 5.2.1 指令寄存器55-56
• 5.2.2 数据寄存器56-58
• 5.2.3 端口寄存器58-60
• 5.2.4 地址译码器60-61
• 5.2.5 数据选择器61-62
• 第6章 SOC的实际应用62-72
• 6.1 SOB板上系统各模块62-67
• 6.1.1 BCD码转换模块62-63
• 6.1.2 数码管驱动模块63-65
• 6.1.3 键盘消抖模块65-67
• 6.2 基于此SOC实现流水灯67-69
• 6.3 基于此SOC实现菲薄纳契序列（Fibonacci）69-72
• 结束语72-73
• 参考文献73-75
• 致谢75

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