基于FPGA的开放式CPU模型研究

发布时间：2021-07-28 09:07

　　在计算机系统中,CPU是运算和控制核心。理解CPU的运行原理和基本结构是计算机专业核心课程“计算机组成原理”的重要教学内容,在教学环节中的CPU设计实验中,开放式的CPU实验平台有利于帮助学生比较直观地观察CPU的运行,并及时修改设计中存在的问题。本文基于MIPS架构设计并实现了一个开放式CPU模型,对模型机的相关部件改造实现了CPU数据的开放,同时通过调试控制模块和调试软件实现对CPU运行方式的控制和调试。论文首先通过研究CPU的相关理论,包括CPU的功能结构,指令系统以及流行的MIPS架构,设计了开放式CPU模型的整体结构和CPU中数据的开放方式。然后,详细说明了使用Verilog HDL在Quartus II软件上基于MIPS架构设计了单周期,多周期和流水线三种工作方式的CPU。接着,文中详细说明了调试控制模块和上位机调试软件的设计和实现过程。调试控制模块控制模型机的工作状态并对CPU进行调试控制;调试软件用于接收CPU运行过程中的数据并将其显示在PC端。调试软件使用Java语言在Eclipse下编写代码并编译完成。最后,在DE2-70开发板通过样例程序对设计的开放式CPU模型机... 

【文章来源】：西安石油大学陕西省

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 论文的主要工作
    1.4 论文的组织结构
第二章 CPU系统概述
    2.1 CPU的功能和结构
        2.1.1 CPU的功能
        2.1.2 CPU的结构
    2.2 指令系统
        2.2.1 指令系统概述
        2.2.2 RISC指令系统
    2.3 MIPSCPU
        2.3.1 MIPSCPU结构
        2.3.2 指令格式
        2.3.3 寻址方式
第三章 开放式CPU模型设计
    3.1 开放式CPU模型架构
        3.1.1 开放设计思路
        3.1.2 总体结构
    3.2 模型机设计
        3.2.1 指令集选取
        3.2.2 数据通路设计
        3.2.3 主要功能部件设计
    3.3 调试控制模块设计
    3.4 调试软件设计
    3.5 软硬件开发环境
        3.5.1 硬件开发环境
        3.5.2 软件开发环境
第四章 三种工作方式CPU的设计和实现
    4.1 单周期CPU
        4.1.1 数据通路设计
        4.1.2 控制器设计
    4.2 多周期CPU
        4.2.1 周期划分
        4.2.2 数据通路设计
        4.2.3 控制器设计
    4.3 流水线CPU
        4.3.1 五级流水
        4.3.2 分段控制器
        4.3.3 数据通路
        4.3.4 流水线中的相关问题
第五章 调试系统的实现
    5.1 调试控制模块
        5.1.1 串口通信子模块
        5.1.2 调试控制
        5.1.3 数据获取
    5.2 调试软件
        5.2.1 串口通信
        5.2.2 数据处理
        5.2.3 图形界面
第六章 开放式CPU模型验证
    6.1 实验人员自定义指令设计
    6.2 验证样例程序
    6.3 模型机仿真验证
        6.3.1 单周期CPU仿真验证
        6.3.2 多周期CPU仿真验证
        6.3.3 流水线CPU仿真验证
    6.4 整体测试
        6.4.1 单周期CPU测试
        6.4.2 多周期CPU测试
        6.4.3 流水线CPU测试
第七章 总结和展望
致谢
参考文献
攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的开放式教学CPU的设计与测试系统[J]. 李山山,汤志忠,周继群.  计算机工程与应用. 2005(14)
[2]VHDL语言在EDA开发软件MAX+PlusII之应用[J]. 王京生,孙林.  山东科技大学学报(自然科学版). 2004(01)

硕士论文
[1]16位RISC处理器的设计和FPGA实现[D]. 何惊昱.兰州大学 2015
[2]基于ARMv7浮点指令集的FPU设计与实现[D]. 王忠弈.国防科学技术大学 2014
[3]基于FPGA开放CPU的设计与实现[D]. 宋嘉琳.大连理工大学 2014
[4]基于FPGA的32位五级流水线CPU的研究与设计[D]. 秘海晓.河北工业大学 2012
[5]开放式教学CPU的研究与设计[D]. 陈连锁.内蒙古大学 2009
[6]基于MIPS指令集的RISC微处理器数据通路的设计与实现[D]. 刘宁.华中科技大学 2008
[7]基于FPGA流水线CPU的设计与实现[D]. 赖兆磬.桂林电子科技大学 2008
[8]通用CPU实验系统的设计与实现[D]. 张楷.清华大学 2004



本文编号：3307629