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毕业设计（论文） 设计(论文)题目 基于FPGA的微处理器设计 摘 要 本文使用结构化编程方法，将微处理器内核按照功能划分为不同的模块，采用VHDL语言设计每一个模块的内部功能和外围接口，设计FPGA芯片的微处理器系统。 该微处理器主要由控制器、运算器和寄存器组成，具有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工等基本功能，其指令长度为16位定长，采用直接寻址方式 关 键 字：FPGA，微处理器，VHDL ABSTRACT A microprocessor on FPGA is realized by using structured programming. This microprocessor core is divided into several different function modules which are designed using VHDL. The microprocessor consists of controller, arithmetic unit and registers. It realizes the instruction control, operation control, time sequence control and data processing functions. The direct addressing mode is adopted. The various operations for 4bit operand can be achieved. Its instruction length is 16 bit. The design is simulated by using QUARTUSII, and the results show that the main functions of a microprocessor are achieved. Key Words: FPGA, CPU, VHDL 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1 背景 1 1.2 微处理器的概况 1 1.3 课题研究方法及技术背景 1 1.3.1 研究方法 1 1.3.2 技术背景 2 1.4 课题工作内容 3 第二章 微处理器体系结构 4 2.1 CPU的功能和构成 4 2.2 指令系统分析 5 2.2.1 RISC 与总线结构 5 2.2.2 指令系统 6 2.3 指令时序分析 8 2.3.1 RISC与流水线 8 2.3.2 程序计数器与流水线 8 2.4 CPU整体结构即设计思想 9 2.4.1 CPU的外部引脚规划 9 2.4.2 CPU的整体框图 10 2.4.3 CPU结构的层次划分 11 第三章 CPU数据通路设计 12 3.1 程序计数器模块PC 12 3.2 程序存储器PC_RAM 13 3.3 指令寄存器模块 14 3.4 时钟发生器模块 14 3.5 寄存器堆TRAM 15 3.6 ALU模块 16 第四章 CPU控制单元的设计 18 4.1 控制器Control模块 18 4.2 有限状态机FSM模块 19 4.2.1 有限状态机 19 4.2.2 利用的VHDL语言进行状态机描述 19 第五章 RISC CPU的仿真验证 21 5.1 各模块的组合 21 5.2 综合RTL电路图 21 5.3 RISCCPU的功能仿真验证 24 5.3.1 算术运算类指令验证 24 5.3.2 逻辑运算类指令验证 25 5.3.3 移位类指令验证 25 5.3.4 LD数据输出指令仿真 26 5.3.5 ST运算数据存储仿真 26 5.4 总结 27 第六章 总结和展望 28 参考文献 29 致谢 错误！未定义书签。 附录 30 第1章 绪论 1.1 背景 随着数字通信和工业控制领域的高速发展，超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，要求专用集成电路(ASIC)的功能越来越强，功耗越来越低，生产周期越来越短，这些都对芯片设计提出了巨大的挑战，传统的芯片设计方法已经不能适应复杂的应用需求了，将整个应用电子系统集成在一个芯片中(SOC)， 已成为现代电子系统设计的趋势。简单来说，SOC是一种将多个独立的VLSI设计拼合在一起，来形成某一应用所需的全部功能的集成电路，以其高集成度、低功耗等优点越来越受欢迎[1]。 中国的电子信息产业现在增长迅速，主要集中在移动通信设备、数据通信设备、计算机及消费产品领域。考虑到我国电子信息市场的特殊性，即巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖进口的状况。巨大的市场的需求决定了开发SOC的必要性，现在数字家电的片上系统研究己经成为研究的热点之一。研究