基于FPGA的32位软核处理器的设计与实现

发布时间：2017-04-24 12:17

  本文关键词：基于FPGA的32位软核处理器的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微处理器是计算机系统的核心部件，它的性能决定了计算机的整体性能。而微处理器的设计在计算机发展领域的地位非常重要。如何设计高性能的微处理器一直是设计者们探讨的课题。MIPS是流行的一种RISC处理器，适宜设计流水线微处理器。它的工作原理是用软件的办法解决流水线中的相关问题。 首先阐述了MIPS指令集的特点。其次，描述了该微处理器中设计的共包含21条常用指令的格式与功能。根据MIPS五级流水线的设计思路以及指令执行过程中的所经过的五个阶段，详细描述了微处理器的各个阶段内各模块的内部功能，以便对后续的整体设计提供逻辑功能的支持。本文还提出了在设计流水线过程中所涉及的各类数据相关问题的解决办法。在完成所有的子模块以及数据通路设计之后，进而对32位微处理器进行整合设计。在各模块设计完成之后，采用FPGA验证工具对设计进行仿真和验证，测试波形表明了设计功能的正确性。最后，将每个测试文件下载至FPGA开发板上得以验证。本文是在研究32位微处理器内部结构以及MIPS指令集的基础之上，在Altera公司QuartusII和Modelsim软件的开发环境中，采用VHDL语言完成的32位微处理器的研究与设计，硬件开发板采用的是Cycloneii FPGA开发板，通过验证结果表明，本文中所设计的微处理器满足设计的目标要求，其最高时钟频率达到了25.32MHz。
【关键词】：微处理器 MIPS 流水线 VHDL
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题的意义9
• 1.2 微处理器的国内外发展研究现状9-10
• 1.3 课题研究内容10-11
• 1.4 课题研究目标11
• 1.5 文章架构11-13
• 第二章 主要设计技术介绍13-17
• 2.1 并行设计技术--流水线13
• 2.2 课题设计流程13-16
• 2.2.1 FPGA 设计流程13-14
• 2.2.2 自顶向下设计14-15
• 2.2.3 课题设计流程15-16
• 2.3 本章小结16-17
• 第三章 32 位微处理器指令体系设计17-23
• 3.1 MIPS 指令集简介17-18
• 3.1.1 MIPS 指令集的特点17
• 3.1.2 MIPS 指令集格式17-18
• 3.2 指令系统功能的设计18-20
• 3.3 指令寻址方式20-21
• 3.4 本章小结21-23
• 第四章 32 位微处理器系统结构设计23-49
• 4.1 32 位微处理器总体设计结构23
• 4.2 微处理器五级流水线划分23-24
• 4.3 取指令（IF）阶段设计24-28
• 4.3.1 指令寄存器设计24-25
• 4.3.2 程序计数器设计25-27
• 4.3.3 地址计算器设计27-28
• 4.3.4 取指令阶段模块结构28
• 4.4 译码（ID）阶段设计28-34
• 4.4.1 控制器设计29-32
• 4.4.2 寄存器设计32-33
• 4.4.3 数据选择器 mux_wrd 设计33-34
• 4.4.4 译码阶段模块结构34
• 4.5 执行阶段（EXE）设计34-42
• 4.5.1 运算器设计35-40
• 4.5.2 数据选择器 mux_alu1 与 mux_alu2 设计40-41
• 4.5.3 执行阶段模块结构41-42
• 4.6 访存阶段（MEM）设计42-43
• 4.7 回写阶段（WB）设计43-45
• 4.7.1 数据选择器 mux_a 设计43-44
• 4.7.2 数据选择器 mux_pcalu 设计44
• 4.7.3 回写阶段模块结构44-45
• 4.8 32 位微处理器模块整合设计45-46
• 4.9 流水线设计中的相关问题及解决办法46-48
• 4.9.1 结构相关46-47
• 4.9.2 数据相关47
• 4.9.3 控制相关47-48
• 4.10 本章小结48-49
• 第五章 32 位微处理器 FPGA 验证49-55
• 5.1 微处理器的验证工具49
• 5.2 FPGA 验证49-53
• 5.2.1 布局布线49-50
• 5.2.2 时序仿真验证50-53
• 5.3 本章小结53-55
• 第六章 结论55-57
• 参考文献57-59
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果59-61
• 致谢61-62

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