基于fpga的嵌入式cpu设计

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1、基于FPGA的嵌入式CPU设计摘要随着EDA技术的快速发展，基于FPGA的嵌入式微处器的应用越来越广泛。同时使用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)和基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)来设计电路的方法也得到迅速的完善。基于FPGA的嵌入式系统具有设计周期短、产品上市速度快、设计风险和成本低、集成度高、灵活性大、维护和升级方便、硬件缺陷修复和排除简单等优点。本文基于FPGA设计一个16位的中央处理器(CPU)，先从CPU的结构和工作原理出发，提出两种设计方案。一种是使用流水线技术的精简指令集的CPU(即RISCCPU)，另一种不使用流水线技术的RISCCPU

2、。通过分析可以知道第一种方案可以达到较高的工作效率和执行速度，但实现起具有一定的难度。第二种方案实现比较简单，但难以达到工作频率和执行速度较高的设计目标。因此，设计采用流水线技术设计。这个CPU具有16位的地址总线和数据总线，并且采用了5级流水线来提高CPU的工作效率。该流水线CPU由取指令(IF)、指令译码和读寄存器文件(ID)、执行或计算地址(EXE)、存储器访问(MEM)、回写(WB)五个部分组成。CPU的各部件利用VHDL语言和EDA工具设计实现的，采用自顶向下的设计方法。EDA工具使用了Altera公司的QuartusII5.0设计软件。关键词中央

3、处理器，精简指令集，流水线-III-基于FPGA的嵌入式CPU设计AbstractWiththerapiddevelopmentofEDA(ElectronicDesignAutomation)technology,theprocessorofembeddedsystembasedonFPGAisresearchedandusedwidely.ThemethodwhichusesVHDLlanguage(VeryHighSpeedIntegratedCircuitDescriptionLanguage)andFPGAtodesignelectriccircu

4、itinthemeantimealsogetsquicklyperfect.TheembeddedsystemwhichdesignsaccordingtotheFPGAhasshortperiodfordesign,andtheproductappearonmarketquickly.Useingthiswaytodesigncanmakecostbelower,andtheproductswillbehighintegrationandflexibility.Thesupportionisconvenient.Upgradeandeliminateerr

5、orsiseasy.Thispaperintroducesthedesignofa16-bitRISCCPU.Itcandesignintwoways.ThefirstoneisusesthePipelinetechnique,buttheseconddon’t.UseingthePipelinetechnologycanmakeCPUworkquicklyandefficiency,butthedesignwillbemoredifficult.Forthehighspeedandefficiency,thisdesignadoptionPipelinet

6、echniquetodesignsa16-bitRISCCPU.Itsinstructionlengthis16bits,applied5classPipelines.Theprocessordesignedwasatraditionalfivestagepipelinedesign.ThestageswereInstructionFetch,InstructionDecode,Execute,MemoryAccess,andWriteBack.The16-bitRISCCPUwasimplementedusingVHDLandTOP-DOWN.EDAtoo

7、lusethesoftwareofQuartusII5.0ofthealteracompany.KeyWordsCentralProcessingUnit,ReducedInstruction,Pipeline-III-基于FPGA的嵌入式CPU设计-III-基于FPGA的嵌入式CPU设计目录摘要IAbstractII目录III1引言11.1RISCCPU的简介11.2集成电路设计方法21.3FPGA的设计流程31.4本文的目的和意义4２CPU架构设计52.1计算机体系结构52.2CPU的基本结构52.3CPU的功能及模块的划分62.4流水线设计63指令系统

8、设计83.1指令系统83.2数据通路设计104VHD