基于FPGA的32位RISC微处理器的设计与实现

摘要

基于RISC架构的MIPS指令兼容处理器是通用高性能处理器的一种。其架构简洁，运行效率高，在高性能计算，嵌入式处理，多媒体应用等各个领域得到了广泛应用。基于FPGA的微处理器设计具有易于调试，便于集成的特点。在片上系统设计方法日趋流行的趋势下，掌握一套复杂的微处理器设计技术十分必要。
　　论文首先概述了MIPS指令集的重要特征，为讨论微处理器的具体设计奠定基础。本设计实现了一个具有标准的32位5级流水线架构的MIPS指令兼容CPU系统。具备常用的五十余条指令，解决了大部分数据相关，结构相关，乘除法的流水化处理等问题。
　　文章的主体部分首先详细描述了处理器各个独立功能模块的设计，为后续的整体设计实现提供逻辑功能支持。随后按照指令执行过程中需经历的五个阶段，详细描述了微处理器中各阶段的逻辑设计。为了提高微处理器的工作效率，在微处理器设计实现的基础上，深入研究了流水线技术及相关问题的解决方法，改进了传统 5 级流水线结构，并基本解决了数据相关、结构相关和控制相关的问题。
　　在完成了微处理器的整体逻辑设计后，借助 EDA 工具对微处理器的工作状态进行了软件仿真，给出仿真结果，仿真波形验证了微处理器的工作符合预想。最后用 EDA工具对设计代码综合、实现，并下载到 FPGA 上，进行了简单的硬件验证。
　　通过验证测试所得到的相关数据表明，论文所设计的 32 位微处理器满足设计要求，其最高时钟频率达到了12.376 MHz。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

§1-1 课题目的及意义

§1-2 微处理器发展现状

§1-3 处理器的设计目标

§1-4 论文章节说明

第二章 微处理器体系结构与设计思想

§2-1 冯·诺依曼结构和哈佛结构

§2-2 复杂指令集和精简指令集的比较

§2-3 MIPS体系结构概述

§2-4 本设计实现的指令集系统

第三章 处理器独立功能模块的设计

§3-1 辅助逻辑模块的设计

§3.2 逻辑运算器的设计

§3.3 算术运算器的设计

§3.4 算术逻辑单元ALU的设计

§3.5 寄存器堆的设计

第四章 控制逻辑与数据通道的设计

§4-1 微处理器的流水线设计思路

§4-2 五级流水线微处理器设计过程

第五章 微处理器的功能验证

§5.1 验证方案的制定

§5.2 验证过程

第六章 结论

参考文献

致谢