基于FPGA的CPU核及其虚拟平台的设计与实现

摘要

本课题受东南大学雨顺电子技术有限公司委托研发。 科学技术的高度发展，导致了计算机的诞生及其迅速发展。在现代社会里，计算机的应用范围几乎涉及到人类社会的所有领域，使得对计算机的研制与学习方兴未艾，不断深入。基于此，本课题在现有计算机内部结构基础上，通过对系统三大模块的软硬件设计，研制出了一台计算机学习实验平台。该平台为用户提供一种更直观的方法学习计算机内部结构，并且用户可以根据需求设计自己的计算机模型，具有很好的实用性。 论文详细地给出了一种采用FPGA技术的计算机模型机的设计方案以及仿真和实现过程。系统设计主要包含三大模块： 1、计算机中央处理器模块：采用了A1tera公司的FPGA芯片及其MAXPLUSII集成软件设计了具有完整功能的CPIJ核； 2、数据存储与传输模块：一方面按照设计逻辑与CPU核建立数据通路，另一方面封装RAM和ROM模块，与上位机PC建立数据通路： 3、虚拟平台模块：采用VB技术按照CPU结构设计了一个模型机操作平台，实现软件数据库数据与硬件FPGA芯片实时的数据扫描、传输和显示。 系统中所有的电路设计均下载到FPGA芯片得到验证，与计算机的实时显示软件连接并调试成功。

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文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题应用背景

1.3课题的主要工作

1.3.1系统的总体结构

1.3.2系统总体设计方法和技术路线

第二章CPU整体设计描述

2.1 CPU设计的一般步骤

2.2指令系统

2.2.1指令格式的确定

2.2.2指令寻址方式的确定

2.2.3指令系统的确定

2.3 CPU总体结构

2.3.1 CPU的功能

2.3.2 CPU的基本组成

2.4运算器

2.4.1运算器的基本功能

2.4.2运算器的基本组成与结构

2.4.3运算器的内部总线确定

2.5控制器

2.5.1控制器的基本功能

2.5.2控制器的基本组成

2.5.3控制器的硬件实现方法

2.6课题开发环境

2.6.1 FPGA芯片特点

2.6.2 FPGA的开发软件与设计流程

第三章运算器的FPGA设计

3.1 ALU模块的FPGA设计

3.1.1 74181的功能

3.1.2 ALU设计原理与编程仿真

3.2寄存器组模块的FPGA设计

3.2.1累加器的设计原理与仿真

3.2.2暂存器与通用寄存器的设计原理与仿真

3.2.3标志寄存器的设计原理与仿真

3.3运算器的整体FPGA设计

第四章微程序控制器及其FPGA设计

4.1微程序控制的基本概念

4.1.1微程序控制的基本原理

4.1.2微程序控制的基本术语

4.2微指令

4.2.1微命令编码方法

4.2.2微地址的形成

4.2.3微指令格式

4.3控制器中的寄存器设计与仿真

4.3.1程序计数器的设计与仿真

4.3.2堆栈的设计与仿真

4.3.3其他寄存器设计与仿真

4.4微程序控制存储器的设计与仿真

4.4.1微地址产生逻辑的设计与仿真

4.4.2微命令的译码逻辑设计

4.5总线模块的设计

4.6自定义CPU的FPGA实现

第五章数据存储与传输模块的FPGA设计

5.1控制存储器ROM

5.1.1微指令执行流程

5.1.2微指令编码

5.1.3 ROM的逻辑设计与仿真

5.2程序存储器RAM的逻辑设计与仿真

5.3数据传输模块的设计

5.3.1硬端口通信的逻辑设计

5.3.2软端口通信的逻辑设计

第六章PC显示平台的设计及系统调试

6.1软件设计与调试

6.1.1软件设计

6.1.2软件调试

6.2硬件配置

6.3系统调试与分析

6.4调试结果

第7章系统评价与展望

7.1系统评价

7.2系统展望

致谢

参考文献

附录