基于FPGA的32位RISC处理器设计与实现

摘要

随着SOC技术、IP技术以及集成电路技术的发展，RISC软核处理器的研究与开发设计开始受到了人们的重视。基于FPGA的RISC软核处理器在各个行业开始得到了广泛的应用，特别是在一些基于FPGA的嵌入式系统中有着越来越广泛的应用前景。 该论文在研究了大量国内外技术文献的基础上，总结了RISC处理器发展的现状与水平。认真分析了RISC处理器的基本结构，包括总线结构，流水线处理的原理，以及流水线数据通路和流水线控制的原理；并详细分析了该设计采用的指令集——MIPS指令集的内在结构。设计出了一个32位RISC软核处理器，这个软核处理器采用五级流水线结构，能完成加法、减法、逻辑与、逻辑或、左移右移等算术逻辑操作，以及它们的组合操作。通过软件仿真和在Altera的FPGA开发板上进行验证，证明了所设计的32位RISC处理器能准确的执行所选用的MIPS指令集，运行速度能达到30MHz，功能良好。 通过对所设计对象特点及其可行性的研究，选用了Altera公司QuartusⅡ软件作为设计与仿真验证的环境。在设计方法上，该课题采用了自顶向下的设计方法。在设计过程中采用了边设计边验证这种设计与验证相结合的设计流程，大大提高了设计的可靠性。该课题在设计过程中还提出了两个有效的设计思路：第一是在32位寄存器的设计中利用FPGA的内部RAM资源来设计，减少了传输延时，提高了运行速度，并大大减少了对FPGA内部资源的占用；第二是在系统架构上采用了柔性化的设计方法，使得设计可以根据实际的需求适当的增减相应的部件，以达到需求与性能的统一。这两个方法都有效地解决了设计中出现的问题，提高了处理器的性能。

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第一章绪论

1.1 RISC技术的发展与现状

1.2研究RISC软核处理器的现实意义

1.3本课题研究的内容

1.4设计方法与设计工具简介

第二章RISC体系结构

2.1 RISC体系结构概述

2.1.1 RISC体系结构的特点

2.1.2 RISC体系结构的优缺点

2.2总线结构

2.2.1冯.诺曼结构[6]

2.2.2哈佛结构

2.3 MIPS指令系统

2.3.3 MIPS指令集概述

2.3.4 MIPS指令的类型与结构

2.4流水线结构

2.4.1流水线概述

2.4.2流水线冒险

2.4.3流水线数据通路

2.4.4流水线控制

第三章32位RISC处理器的设计与验证

3.1顶层全局设计

3.1.1命名规则

3.1.2顶层逻辑框图设计

3.1.3占用的FPGA资源

3.2流水线数据通路的设计与验证

3.2.1流水线寄存器的设计及其验证

3.2.2数据选择模块的设计及其验证

3.2.3指令提取部分的设计及其验证

3.2.4通用寄存器模块的设计及其验证

3.2.5算术逻辑单元的设计及其验证

3.2.6数据存储器的设计及其验证

3.3流水线控制的设计与验证

3.3.1主控单元的设计及其验证

3.3.2算术逻辑单元控制模块的设计及其验证

3.3.3数据转发单元的设计及其验证

3.3.4冒险检测单元的设计及其验证

3.3.5控制信号清零模块的设计

3.3.6寄存器转发单元的设计及其验证

3.3.7比较模块的设计及其验证

3.4综合验证与性能分析

3.4.1 R型指令的验证

3.4.2 1型指令的验证

3.4.3跳转指令的验证

3.4.4联合验证

3.4.5综合性能分析

第四章总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢