基于FPGA的32位RISC嵌入式微处理器设计
发布时间：2021-05-26 08:35
RISC技术自上世纪80年代中期被提出以来得到了迅速的发展,特别是在嵌入式领域,几乎当今业界所有的嵌入式微处理器以及绝大部分工作站和服务器厂商都采用RISC体系结构的微处理器。进入二十一世纪,随着SOPC技术的出现,研究具有高通用性和灵活性的嵌入式微处理器IP核又引起人们极大的兴趣,并得到了非常广泛的应用。因此,本文研究一种基于FPGA硬件平台的RISC体系结构微处理器IP核是具有着较大的实际应用价值。本文从分析单周期处理器微结构入手,首先设计出一个拥有经典五级流水线的微处理器,在此五级流水线的基础上更深层次的分析流水线中的关键路径,找出影响主频性能的瓶颈。然后对经典五级流水线结构进行重新划分,提出一种拥有八级流水线的微处理器优化方案,并对设计中由于增加流水线级数而引入的流水线控制冒险问题,给出了一种流水线结构的动态分支预测器的解决方法:将分支预测器的各个逻辑组件相对平均的分配到各级流水线之中,利用动态分支预测器来解决控制冒险问题,降低微处理器的CPI,提高微处理器对指令的吞吐率,同时又不会使流水线出现局部逻辑拥堵降低微处理器的主频。相对于使用插入气泡或者采用静态分支预测器,本文中提出...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要工作
1.4 论文章节安排
第二章 微处理器体系结构与指令系统
2.1 现代微处理器体系结构简述
2.1.1 冯·诺依曼体系结构与哈佛体系结构点
2.1.2 CISC 指令结构与RISC 指令结构
2.2 MIPS 指令系统
2.2.1 R 型指令
2.2.2 I 型指令
2.2.3 J 型指令
2.2.4 寻址方式
2.3 本设计中所实现的指令
2.3.1 ALU 运算指令
2.3.2 转移与跳转指令
2.3.3 存储器访问指令
2.4 本章小结
第三章 微体系结构设计
3.1 处理器数据通路
3.1.1 处理器控制单元
3.1.2 处理器算术逻辑单元
3.2 单周期结构
3.2.1 单周期处理器的性能
3.3 流水线结构
3.3.1 流水线概述
3.3.2 经典五级流水线方案
3.3.3 六级流水线结构优化方案
3.3.4 八级流水线结构优化方案
3.3.5 流水线冒险以及处理方案
3.3.6 动态分支预测器设计
3.3.7 流水线性能分析
3.4 本章小结
第四章 仿真、综合与硬件验证
4.1 关键组件的综合
4.1.1 取指单元
4.1.2 控制单元
4.1.3 ALU 单元
4.1.3 数据存储器
4.1.4 数据冒险控制单元
4.1.5 动态分支预测器
4.2 功能仿真
4.3 系统综合
4.4 上板测试
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种静态和动态分支预测的组合方法研究[J]. 姜瑞凯,汪永威. 科学技术与工程. 2009(08)
[2]32位RISC微处理器中分支预测器的硬件实现[J]. 汪永威,樊晓桠,黄小平. 计算机应用研究. 2009(02)
[3]一种基于FPGA的CPU设计[J]. 王本有,苏守宝,汪德如. 计算机技术与发展. 2008(06)
[4]32位嵌入式RISC处理器的设计与实现[J]. 张英武,袁国顺. 微电子学与计算机. 2008(06)
[5]基于FPGA流水线RISC微处理器的设计[J]. 黄旺华,李振坤,刘怡俊,黄静怡. 微计算机信息. 2008(14)
[6]32位RISC微处理器FPGA验证平台设计与实现[J]. 于海,樊晓桠,张盛兵. 计算机工程与应用. 2007(05)
[7]嵌入式CPU软核综述[J]. 孙恺,王田苗,魏洪兴,陈友东. 计算机工程. 2006(07)
[8]基于FPGA的RISC微处理器的设计与实现[J]. 李强,潘明,许勇. 广西科学院学报. 2005(04)
[9]基于FPGA的32位整数微处理器的设计与实现[J]. 冯海涛,王永纲,石江涛,颜天信,王砚方. 小型微型计算机系统. 2005(06)
[10]64位RISC微处理器的结构设计[J]. 江艳,廉殿斌,李勇. 微电子学与计算机. 2005(04)
本文编号：3206072
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要工作
1.4 论文章节安排
第二章 微处理器体系结构与指令系统
2.1 现代微处理器体系结构简述
2.1.1 冯·诺依曼体系结构与哈佛体系结构点
2.1.2 CISC 指令结构与RISC 指令结构
2.2 MIPS 指令系统
2.2.1 R 型指令
2.2.2 I 型指令
2.2.3 J 型指令
2.2.4 寻址方式
2.3 本设计中所实现的指令
2.3.1 ALU 运算指令
2.3.2 转移与跳转指令
2.3.3 存储器访问指令
2.4 本章小结
第三章 微体系结构设计
3.1 处理器数据通路
3.1.1 处理器控制单元
3.1.2 处理器算术逻辑单元
3.2 单周期结构
3.2.1 单周期处理器的性能
3.3 流水线结构
3.3.1 流水线概述
3.3.2 经典五级流水线方案
3.3.3 六级流水线结构优化方案
3.3.4 八级流水线结构优化方案
3.3.5 流水线冒险以及处理方案
3.3.6 动态分支预测器设计
3.3.7 流水线性能分析
3.4 本章小结
第四章 仿真、综合与硬件验证
4.1 关键组件的综合
4.1.1 取指单元
4.1.2 控制单元
4.1.3 ALU 单元
4.1.3 数据存储器
4.1.4 数据冒险控制单元
4.1.5 动态分支预测器
4.2 功能仿真
4.3 系统综合
4.4 上板测试
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种静态和动态分支预测的组合方法研究[J]. 姜瑞凯,汪永威. 科学技术与工程. 2009(08)
[2]32位RISC微处理器中分支预测器的硬件实现[J]. 汪永威,樊晓桠,黄小平. 计算机应用研究. 2009(02)
[3]一种基于FPGA的CPU设计[J]. 王本有,苏守宝,汪德如. 计算机技术与发展. 2008(06)
[4]32位嵌入式RISC处理器的设计与实现[J]. 张英武,袁国顺. 微电子学与计算机. 2008(06)
[5]基于FPGA流水线RISC微处理器的设计[J]. 黄旺华,李振坤,刘怡俊,黄静怡. 微计算机信息. 2008(14)
[6]32位RISC微处理器FPGA验证平台设计与实现[J]. 于海,樊晓桠,张盛兵. 计算机工程与应用. 2007(05)
[7]嵌入式CPU软核综述[J]. 孙恺,王田苗,魏洪兴,陈友东. 计算机工程. 2006(07)
[8]基于FPGA的RISC微处理器的设计与实现[J]. 李强,潘明,许勇. 广西科学院学报. 2005(04)
[9]基于FPGA的32位整数微处理器的设计与实现[J]. 冯海涛,王永纲,石江涛,颜天信,王砚方. 小型微型计算机系统. 2005(06)
[10]64位RISC微处理器的结构设计[J]. 江艳,廉殿斌,李勇. 微电子学与计算机. 2005(04)
本文编号：3206072
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