基于MIPS指令集的RISC微处理器数据通路的设计与实现

摘要

随着集成电路技术的发展，SOC的设计方法越来越流行。基于SOC的方法进行嵌入式系统设计，可以显著降低开发成本，并且易于维护。 嵌入式系统中，微处理器是核心，决定了整个嵌入式系统的性能。MIPS指令格式清晰、紧凑，采用MIPS指令设计微处理器可以简化体系结构的设计，并得到比较好的性能。最终的设计以MIPS指令集为基础，实现了五级流水RISC微处理器。 根据对MIPS指令集的研究，选取了待实现的指令，及指令寻址方式。通过对指令执行过程的详细分析，设计和实现了各逻辑功能模块,包括：存储指令和数据的存储模块、高速提供运算操作数的寄存器堆、完成操作数运算的算术逻辑单元、对16位操作数进行扩展的符号扩展单元。在完成各模块设计后，设计和实现了单周期RISC数据通路。 流水线是提高微处理器性能的重要方法，在对单周期数据通路设计的基础上，对流水线数据通路进行详细分析，设计了流水线寄存器，最终建立了基于MIPS指令集的五级流水线数据通路。 设计完成后，对流水线数据通路进行仿真，然后下载到FPGA开发板进行验证。最终的数据通路支持34条指令，主频达40 M HZ。