本文使用VHDL語言采用自頂向下(Top_down)的設(shè)計方法設(shè)計了一個8位的RISC微控制器軟核。 本微控制器設(shè)計了新的RISC指令集，長度為24位，其中第一字節(jié)為操作碼，與MCS-51操作碼的功能和助記符都相同，第二、三字節(jié)為兩個操作數(shù)。該指令集可向下兼容MCS-51的111指令。本微控制器包含了2個16位的計時器／計數(shù)器，一個全雙工串行接口，5個中斷源2級中斷優(yōu)先權(quán)，高低各128字節(jié)RAM，這些模塊的功能和設(shè)置與MCS-51兼容。同時新增了硬件看門狗、軟件復(fù)位、寄存器直接交換數(shù)據(jù)等其他功能。為了便于嵌入式的應(yīng)用，乘除法模塊可選擇實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的時鐘頻率也可選擇實(shí)現(xiàn)。內(nèi)核設(shè)計了3級指令流水線，除MOVC指令外其他指令在沒有沖突的情況下都可單周期執(zhí)行。通過對流水線進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)一步提高了系統(tǒng)時鐘率。采用了直連結(jié)構(gòu)，特殊功能寄存器與各個模塊直接相連，提高了系統(tǒng)的效率。 本微控制器內(nèi)核在ISE軟件環(huán)境下完成了各模塊的編碼，使用Synplify pro8.0進(jìn)行綜合，使用ModelSim 6.0D進(jìn)行了前、后仿真，并下載到了FPGA中進(jìn)行運(yùn)行。微控制器在目前的所有軟硬件驗(yàn)證中都...

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 課題的設(shè)計背景
    1.2 課題的設(shè)計目標(biāo)
    1.3 課題的研究手段和方法
        1.3.1 VHDL語言簡介
        1.3.2 IP核及其設(shè)計流程
        1.3.3 FPGA簡介
        1.3.4 RISC體系結(jié)構(gòu)簡介
    1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排
第二章 微控制器的總體設(shè)計
    2.1 微控制器的功能規(guī)格
        2.1.1 微控制器的基本功能
        2.1.2 微控制器的新功能
    2.2 微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        2.2.1 傳統(tǒng)MSC—51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        2.2.2 微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    2.3 微控制器指令格式設(shè)計
    2.4 微控制器流水線設(shè)計
        2.4.1 三級流水線設(shè)計
        2.4.2 微控制器流水線相關(guān)及解決辦法
        2.4.3 微控制器相關(guān)檢測
        2.4.4 流水線結(jié)構(gòu)改進(jìn)
    2.5 微控制器堆棧設(shè)計
    2.6 全同步設(shè)計
第三章 微控制器內(nèi)核模塊的設(shè)計
    3.1 pipeline_fd(取指級流水線)模塊設(shè)計
    3.2 pipeline_ex(執(zhí)行級流水線)模塊的設(shè)計
    3.3 pipeline_wb(回寫級流水線)模塊的設(shè)計
    3.4 ALU(算術(shù)邏輯單元)的設(shè)計
    3.5 tim_count(計時/計數(shù)器模塊)的設(shè)計
    3.6 uart(通用串行接口模塊)的設(shè)計
    3.7 wt_dog(看門狗)的設(shè)計
    3.8 系統(tǒng)的合成
第四章 微處理器內(nèi)核的驗(yàn)證
    4.1 微處理器內(nèi)核的驗(yàn)證策略
    4.2 軟件仿真
        4.2.1 ALU模塊的仿真
        4.2.2 pipeline_ex(取指模塊)的仿真
        4.2.3 pipeline_eX(執(zhí)行模塊)的仿真
        4.2.4 pipeline_wb(回寫模塊)的仿真
        4.2.5 uart(通用串行模塊)的仿真
        4.2.6 time_count(計時器/計數(shù)器模塊)的仿真
        4.2.7 wt_dog(看門狗模塊)的仿真
        4.2.8 系統(tǒng)的仿真
    4.3 FPGA硬件驗(yàn)證
        4.3.1 約束及綜合
        4.3.2 測試程序的設(shè)計
        4.3.3 實(shí)現(xiàn)
        4.3.4 下載運(yùn)行
第五章 總結(jié)
    5.1 本課題的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)
    5.2 進(jìn)一步的工作
參考文獻(xiàn)
致謝



本文編號：3876362