基于MIPS64指令子集的RISC处理器的设计与实现

摘要

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器，它采用精简指令系统来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统相比，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。
　　MIPS处理器在嵌入式领域得到了广泛的应用，因此设计更加高效的MIPS处理器有着重要的实用价值和经济意义。本文以MIPS处理器作为研究对象，以提高处理器的性能为目标，主要实现了具有六级流水线的64位MIPS处理器。具体工作包含以下方面：
　　第一，研究了MIPS64指令集与MIPS32指令集的兼容性问题。分析了传统的五级流水线处理器的时序瓶颈，提出六级流水线处理器的设计思路。对六级流水线处理器中的数据冲突和控制冲突的问题进行简要描述，并给出解决方案，最终基于MIPS64指令集的子集实现一个完整的六级流水线的MIPS处理器。
　　第二，在Modelsim中使用设计好的指令序列对处理器进行功能仿真。采用Quartus II对处理器设计进行逻辑综合。处理器最终在Altera公司的DE2开发板上运行测试。经验证，该处理器设计合理、功能正确，在DE2开发板上的时钟频率可达81.7MHZ。
　　第三，研究了cache的结构，提出了两级数据cache和指令cache的设计思路，并对cache的工作原理和状态转换进行了详细论述。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 基于FPGA的设计流程

1.4 本文的主要内容和贡献

1.5论文结构

第二章 MIPS处理器相关技术

2.1 冯·诺伊曼结构和哈佛结构

2.2 MIPS指令集

2.3 流水线技术

2.4高速缓存（cache）技术

2.5本章小结

第三章 64位MIPS处理器的设计与实现

3.1 64位MIPS处理器指令集

3.2流水线处理器阶段的划分

3.3流水线处理器中冲突的解决方法

3.4处理器数据通路的部件设计

3.5本章小结

第四章 处理器的验证

4.1验证工具及平台介绍

4.2系统功能仿真

4.3重要模块综合

4.4板级验证与系统性能

4.5本章小结

第五章 高速缓存的设计

5.1高速缓存的整体架构

5.2高速缓存的具体设计

5.3高速缓存对指令执行的影响

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文