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1、EDA嵌入式实验开发板案例设计-综合模块毕业设计（论文）题目：EDA嵌入式实验开发板案例设计-综合模块专业： 电子信息工程 EDA嵌入式实验开发板案例设计-综合模块摘 要 基于自主设计的FPGA-SP6开发板的综合模块设计。本论文主要介绍一款采用自定义指令集的16位RISC MCU的设计与实现。采用硬件描述语言VHDL进行RTL级描述，自顶向下流程和模块化的方法进行设计。整体上分为5级流水:取指、译码、执行、存储、回写。可以执行算术运算、逻辑运算、读写存储器、IO口操作。设计了16级堆栈，可实现函数多级调用。该RISC CPU采用哈佛结构，有效的避免了流水线中的结构冒险。分析了该设计中的流水线
2、所遇到的冒险问题，采取了一定的解决方案。并使用仿真工具Modelsim对个别模块进行了前、后仿真，ISE软件综合布局布线，并在Xilinx Spartan6 LX9芯片上经过验证。实现简易计算器效果。 关键词：FPGA，spartan6，综合模块，RISC，流水线，VHDL，EDA案例设计The case design Based on embedded experimental board of EDA-Integrated designAbstract The Integrated design based on the FPGA experimental board which desi
3、- gned by ourself.This paper mainly introduces the principleand implementationofa16 bit RISC MCU with self-defined instruction set.Using a hardware description language VHDLto RTL description,top-down flow and modularde-sign.On the whole the CPU is divided into five levels pipeline : Instruction Fet
4、ch,Instruction Decode,execution,Memory Access,Write Back.You canperform arithmetic,logic,read and write memory,IO operation.The design have16 level stack whichcan realize thefunction of Nested functions.The RISCCPU adop-te the Harvard structure,effectively avoid thehazard structurein the pipeline. T
5、he hazard in pipeline is analyzed and somemethods to solve the hazard. usingtheModelsim to post-simulation and before-simulation,ISE integratedtools to synthesize and impleming ,and verificating in the XilinxSpartan6 LX9 chip, and realized simple calculator.Keywords: FPGA,spartan6,integrated modules
6、,RISC,pipeline,VHDL目录摘 要IIIAbstractIV目录V1 绪论71.1课题的来源71.2课题的意义71.3 FPG案例开发国内外发展现状81.4 RISC CPU国内外发展现状91.5课题研究的主要内容92方案设计与总体设计102.1 RISC CPU的方案设计102.2方案评价102.3 流水线112.3.1 流水线的简单介绍112.3.1 流水线的冒险分析及处理122.4 RISC CPU的总体设计143 FPGA设计173.1 顶层模块的设计173.1.1 分频模块183.1.2 程序存储器183.1.3 IF/ID流水线寄存器183.1.4 DEC解码器193
7、.1.7 ID/EXE流水线寄存器223.1.8 ALU算术逻辑单元：223.1.9 EXM/MEM流水线寄存器233.1.10 RAM数据存储器233.1.12 多路选择器233.1.13 MEM/WB流水线寄存器243.1.14 堆栈的设计：243.1.15 控制器253.2 整体测试25结论26参考文献27致谢28附录29III1 绪论1.1课题的来源 随着计算机科技的发展，在计算机指令系统的发展与优化过程中，出现了两种不同的优化方向，一个方向为CISC，另一个方向为RISC。CISC（复杂指令系统计算机）是早期大多数微处理器所采用的体系，如摩托罗拉公司的68k系列和Intel公司的80
8、x86等。早期的电脑所使用的是组合语言编程，价格昂贵记忆体速度又慢，这也是CISC得以发展的一个重要原因。 自20世纪70年代中期就职于IBM公司的John Cocke（约翰科克，IBM的资深研究员，为IBM计算机市场的开拓和计算机科学技术的发展起到至关重要的作用）首先提出著名的28定律之后，这一理论得到了加州大学伯克利分校的D Patterson和斯坦福大学的J Hennessy关注，他们对此定律、想法作了进一步研究，提出了一种有别于传统CISC构架的新型计算机体系结构，即RISC构架。RISC是一种新的芯片体系，目的是为了提高处理器运行的速度。并且它的关键在于流水线的操作，使得一个时钟周期
9、内可以完成多条指令，这是提高处理速度的本质原因。从20世纪80年初兴起至今，RISC技术在计算机领域一直伴随着其发展，尤其是在嵌入式微处理器方面，RISC体系结构无论是在深度还是广度上都得以充分的应用。这些嵌入式微处理器在工业控制、无线网络、多媒体处理等实时系统中被广泛地应用，并且扮演着重要的角色1。FPGA现场可编程门阵列，凭借着其强大的功能和并行处理优势被称为在CPU、DSP之后又一系统核心。FPGA直接操控逻辑门级，操控的层次更加深入，设计的自由度也更大，理论上只要FPGA里面的集成规模足够大，它可以实现任何的数字系统，当然也包括单片机甚至是CPU，因此本文基于此用FPGA实现一个简单的
10、自制CPU。1.2课题的意义 数字电路的发展速度已经是其他事物所不能比拟的，大容量并辅以高速度的可编程逻辑器件不断的推陈出新，使得SOC（片上操作系统）系统成为了新宠，它是将整个应用电子系统集成在一块面积相当小的硅芯片上。另一方面，相应公司所推出的各样开发平台越来越人性化，只要掌握一种硬件描述语言就能够在较短的时间内设计出较为复杂的电子系统，这有利于缩短设计周期，加快产品的上市速度，给电子市场带来了巨大的变革。嵌入式系统由于其明显的优势已经在各行各业得到广泛应用，在军事领域，医疗影像，数字通信，工业控制等方面都能看到嵌入式系统的身影。SOC模块化设计的关键乃在于各类嵌入式核、IP模块的实现，而
11、在这其中MCU核的设计占据了举足轻重的地位，因为几乎在所有的系统应用中，都会以MCU为控制的核心2。RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）处理机经常作为核心部件广泛应用于嵌入式系统和SOC(System on Chip,片上系统)等信息系统中，因此其设计技术也是集成电路设计领域的核心技术而受到广泛重视3。 RISC CPU与生活密切相关，它已经进入消费电子的各个领域，ARM、MIPS、PowerPC等处理器都属于RISC家族的一部分，在国际市场上RISC处理器占有巨大的份额，RISC的研发也是一个非常热门的领域，只有理解RISC的原理才能
12、更好地认识和掌握已有的RISC架构的处理器4。1.3 FPG案例开发国内外发展现状 近年来，电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automatic）技术飞速发展，并已逐渐成为现代电子技术的核心。随着EDA开发工具功能的不断完善，使得现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）技术得到广泛的应用，并成为当今电子设计领域中应用最广泛的可编程逻辑器件之一。由于FPGA具有编程灵活、设计周期短、可靠性高、开发费用低、风险小等优点，所以非常适合在实验室中使用5。 由于传统的电子实验信息量少、效率低、可靠性差、针对性强，已经不能适应电子技
13、术的高速发展要求，因此，FPGA教学系统迅速发展起来。目前，国内外很多大学都开始了相关的FPGA课程：加拿大多伦多大学早在80年代中期就投入到FPGA的教学研究当中，并公开了FPGA芯片的研究方法和相关的工具；美国斯坦福大学直接用Xilinx大学计划提供的开发板进行教学研究；麻省理工大学根据自身要求，开发出了一款基于Xilinx芯片的FPGA实验板，供学生使用；伯克利大学的天文望远镜系统采用FPGA技术分析搜集到的无线电，来判断是否有外星人；亚利桑那大学也在硬件教学实验中加入了FPGA和EDA的内容。 在国内，由于种种原因，FPGA的研究仍处于起步阶段，但是很多大学已经开设了FPGA相关课程。
14、它们主要是和Xilinx公司组建联合实验室，由Xilinx公司免费提供大量的FPGA开发平台及套件，给学生进行FPGA基础教学实验，比如浙江大学、清华大学、复旦大学等知名学府。随着FPGA知识的普及， 大多数高校开始了从事FPGA应用方面的研究，比如上海交通大学用FPGA做人脸识别的项目，西安交通大学用FPGA来做机器人，北京工业大学用FPGA给玩具做语音识别，天津工业大学用FPGA进行信号传输与处理，等等。1.4 RISC CPU 国内外发展现状 1964年CDC公司推出的CDC6600是第一个超级计算机，具备了RISC的一些基本特征。1975年Cocke到IBM的Yorktown研究中心开
15、始研制IBM 801，801是最早开始设计的RISC处理器，Cocke获得了Eckert-Mauchly和Turing奖。 经过半个世纪的发展。目前,比较有影响的 RISC 处理器产品有 Compaq 公司的 Alpha,HP 公司的 PA-RISC,IBM 公司的 Power PC,MIPS 公司的 MIPS 和 Sun 公司的 Sparc。随着我国信息化进程的不断推进，计算机技术还将对我国的生产力的发展产生日益深远的影响。近年来我国在CPU设计领域取得了一些重大突破，相继研制出龙芯系列、方舟系列高性能CPU，此外位于台湾的威盛电子也是较大的处理器生产商。然而我国的CPU设计及制造技术与国外相比还有很大差距，我国信息产业中与 CPU 相关的许多核心技术及产品仍然主要依赖进口，不仅经济上受制于人，而且信息系统的安全乃至国家安全也面临威胁。FPGA 技术自20世纪80年代中期出现至今，引起了电子设计技术的深刻变革，也成为现代电子设计技术的核心。因此，基
