基于MIPS指令集的RISC微处理器数据通路的设计与实现

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 研究目标与研究内容
• 2 微处理器体系结构分析
• 2.1 嵌入式微处理指令类型及寻址方式
• 2.2 嵌入式处理器指令集分析
• 2.3 流水线组织与分析
• 2.4 小结
• 3 单周期数据通路及部件设计
• 3.1 简单数据通路分析
• 3.2 算术逻辑单元设计
• 3.3 寄存器堆
• 3.4 存储系统设计
• 3.5 程序地址寄存器
• 3.6 符号扩展单元
• 3.7 单周期RISC 设计与实现
• 3.8 小结
• 4 流水线数据通路设计
• 4.1 建立流水线数据通路
• 4.2 流水线寄存器设计
• 4.3 流水线数据通路简析
• 4.4 小结
• 5 嵌入式微处理数据通路验证
• 5.1 算术逻辑单元仿真验证
• 5.2 寄存器堆仿真验证
• 5.3 指令存储器及地址寄存器仿真验证
• 5.4 数据存储器仿真验证
• 5.5 符号扩展单元仿真验证
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 （单周期数据通路图）
• 附录2 （流水线数据通路图）