基于FPGA的精简指令集计算机的研究与开发

摘要

大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路(ASIC),电子设计工程师用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路,从而大大缩短了产品上市时间,降低了开发成本.此外,可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性,使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性.该设计完成了在一片可编程逻辑器件上开发简易计算机的设计任务,将单片机与单片机外围电路集成化,能够输入指令、执行指令、输出结果,具有在电子系统中应用的普遍意义,另外,也可以用于计算机组成原理的教学试验.该文第一章简要介绍了可编程ASIC和EDA技术的历史、现状、未来并对本课题作了简要陈述.第二章在芯片设计的两种输入法即原理图输入法和HDL输入法之间做出比较,决定选用HDL输入法.第三章描述了具体的设计过程和设计手段,首先将简易计算机划分为运算器、CPU控制器、存储器、键盘接口和显示接口以及系统控制器,然后再往下分为下层子模块.输入法的语言使用的是Verilog HDL,鉴于篇幅所限,源代码部分不在论文之中.第四章对设计的综合与实现做了总结,给出了时序仿真波形图.该文针对FPGA和RISC这两大课题,对RISC在FPGA上的实现进行了初浅的探索与尝试.从计算机体系结构入手,剖析了精简指令集计算机的原理,通过该设计的实践对ASIC和EDA的设计潜力有了更进一步的领悟.