EDA嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)板案例設(shè)計(jì)---綜合模塊畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題　　目：EDA嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)板案例設(shè)計(jì)---綜合模塊專　　業(yè)：　　 　　　電子信息工程 　 　　　　EDA嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)板案例設(shè)計(jì)---綜合模塊摘 要 基于自主設(shè)計(jì)的FPGA---SP6開發(fā)板的綜合模塊設(shè)計(jì)本論文主要介紹一款采用自定義指令集的16位RISC MCU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行RTL級(jí)描述，自頂向下流程和模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)整體上分為5級(jí)流水:取指、譯碼、執(zhí)行、存儲(chǔ)、回寫可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、讀寫存儲(chǔ)器、IO口操作設(shè)計(jì)了16級(jí)堆棧，可實(shí)現(xiàn)函數(shù)多級(jí)調(diào)用該RISC CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，有效的避免了流水線中的結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn)分析了該設(shè)計(jì)中的流水線所遇到的冒險(xiǎn)問題，采取了一定的解決方案并使用仿真工具M(jìn)odelsim對(duì)個(gè)別模塊進(jìn)行了前、后仿真，ISE軟件綜合布局布線，并在Xilinx Spartan6 LX9芯片上經(jīng)過驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易計(jì)算器效果 關(guān)鍵詞：FPGA，spartan6，綜合模塊，RISC，流水線，VHDL，EDA案例設(shè)計(jì)The case design Based on embedded experimental board of EDA---Integrated designAbstract The Integrated design based on the FPGA experimental board which desi- gned by ourself.?This paper mainly introduces the principle?and implementationof?a?16 bit RISC ?MCU with ?self-defined instruction set.?Using a hardware description language VHDL?to RTL description,?top-down flow and modular?de-sign.?On the whole the CPU is divided into five levels pipeline : Instruction Fetch,?Instruction Decode,execution,Memory Access,?Write Back.You can?perform arithmetic,?logic,?read and write memory,IO operation.?The design have?16? level stack which?can realize the?function of? Nested functions.The RISC?CPU adop-te? the Harvard structure,?effectively avoid the?hazard structure?in the pipeline. The hazard in pipeline is analyzed and somemethods to solve the hazard. usingthe?Modelsim to post-simulation and before-simulation,?ISE integrated?tools to synthesize and impleming ,?and verificating in the Xilinx?Spartan6 LX9 chip?, and realized simple calculator.Keywords: FPGA,spartan6,integrated modules,RISC,pipeline,VHDL目錄摘 要 IIIAbstract IV目錄 V1 緒論 71.1課題的來源 71.2課題的意義 71.3 FPG案例開發(fā)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 81.4 RISC CPU國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 91.5課題研究的主要內(nèi)容 92方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì) 102.1 RISC CPU的方案設(shè)計(jì) 102.2方案評(píng)價(jià) 102.3 流水線 112.3.1 流水線的簡(jiǎn)單介紹 112.3.1 流水線的冒險(xiǎn)分析及處理 122.4 RISC CPU的總體設(shè)計(jì) 143 FPGA設(shè)計(jì) 173.1 頂層模塊的設(shè)計(jì) 173.1.1 分頻模塊 183.1.2 程序存儲(chǔ)器 183.1.3 IF/ID流水線寄存器 183.1.4 DEC解碼器 193.1.7 ID/EXE流水線寄存器 223.1.8 ALU算術(shù)邏輯單元： 223.1.9 EXM/MEM流水線寄存器 233.1.10 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 233.1.12 多路選擇器 233.1.13 MEM/WB流水線寄存器 243.1.14 堆棧的設(shè)計(jì)： 243.1.15 控制器 253.2 整體測(cè)試 25結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 27致謝 28附錄 29III1 緒論1.1課題的來源 隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展與優(yōu)化過程中，出現(xiàn)了兩種不同的優(yōu)化方向，一個(gè)方向?yàn)镃ISC，另一個(gè)方向?yàn)镽ISC。

CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是早期大多數(shù)微處理器所采用的體系，如摩托羅拉公司的68k系列和Intel公司的80x86等早期的電腦所使用的是組合語言編程，價(jià)格昂貴記憶體速度又慢，這也是CISC得以發(fā)展的一個(gè)重要原因 自20世紀(jì)70年代中期就職于IBM公司的John Cocke（約翰·科克，IBM的資深研究員，為IBM計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的開拓和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用）首先提出著名的28定律之后，這一理論得到了加州大學(xué)伯克利分校的D Patterson和斯坦福大學(xué)的J Hennessy關(guān)注，他們對(duì)此定律、想法作了進(jìn)一步研究，提出了一種有別于傳統(tǒng)CISC構(gòu)架的新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，即RISC構(gòu)架RISC是一種新的芯片體系，目的是為了提高處理器運(yùn)行的速度并且它的關(guān)鍵在于流水線的操作，使得一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成多條指令，這是提高處理速度的本質(zhì)原因從20世紀(jì)80年初興起至今，RISC技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一直伴隨著其發(fā)展，尤其是在嵌入式微處理器方面，RISC體系結(jié)構(gòu)無論是在深度還是廣度上都得以充分的應(yīng)用這些嵌入式微處理器在工業(yè)控制、無線網(wǎng)絡(luò)、多媒體處理等實(shí)時(shí)系統(tǒng)中被廣泛地應(yīng)用，并且扮演著重要的角色[1]。

FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，憑借著其強(qiáng)大的功能和并行處理優(yōu)勢(shì)被稱為在CPU、DSP之后又一系統(tǒng)核心FPGA直接操控邏輯門級(jí)，操控的層次更加深入，設(shè)計(jì)的自由度也更大，理論上只要FPGA里面的集成規(guī)模足夠大，它可以實(shí)現(xiàn)任何的數(shù)字系統(tǒng)，當(dāng)然也包括單片機(jī)甚至是CPU，因此本文基于此用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的自制CPU1.2課題的意義 數(shù)字電路的發(fā)展速度已經(jīng)是其他事物所不能比擬的，大容量并輔以高速度的可編程邏輯器件不斷的推陳出新，使得SOC（片上操作系統(tǒng)）系統(tǒng)成為了新寵，它是將整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)集成在一塊面積相當(dāng)小的硅芯片上另一方面，相應(yīng)公司所推出的各樣開發(fā)平臺(tái)越來越人性化，只要掌握一種硬件描述語言就能夠在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出較為復(fù)雜的電子系統(tǒng)，這有利于縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品的上市速度，給電子市場(chǎng)帶來了巨大的變革嵌入式系統(tǒng)由于其明顯的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域，醫(yī)療影像，數(shù)字通信，工業(yè)控制等方面都能看到嵌入式系統(tǒng)的身影SOC模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵乃在于各類嵌入式核、IP模塊的實(shí)現(xiàn)，而在這其中MCU核的設(shè)計(jì)占據(jù)了舉足輕重的地位，因?yàn)閹缀踉谒械南到y(tǒng)應(yīng)用中，都會(huì)以MCU為控制的核心[2]RISC（Reduced Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理機(jī)經(jīng)常作為核心部件廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和SOC(System on Chip,片上系統(tǒng))等信息系統(tǒng)中，因此其設(shè)計(jì)技術(shù)也是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)而受到廣泛重視[3]。

RISC CPU與生活密切相關(guān)，它已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)電子的各個(gè)領(lǐng)域，ARM、MIPS、PowerPC等處理器都屬于RISC家族的一部分，在國(guó)際市場(chǎng)上RISC處理器占有巨大的份額，RISC的研發(fā)也是一個(gè)非常熱門的領(lǐng)域，只有理解RISC的原理才能更好地認(rèn)識(shí)和掌握已有的RISC架構(gòu)的處理器[4]1.3 FPG案例開發(fā)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA，Electronic Design Automatic）技術(shù)飛速發(fā)展，并已逐漸成為現(xiàn)代電子技術(shù)的核心隨著EDA開發(fā)工具功能的不斷完善，使得現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，并成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的可編程邏輯器件之一由于FPGA具有編程靈活、設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、開發(fā)費(fèi)用低、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合在實(shí)驗(yàn)室中使用[5] 由于傳統(tǒng)的電子實(shí)驗(yàn)信息量少、效率低、可靠性差、針對(duì)性強(qiáng)，已經(jīng)不能適應(yīng)電子技術(shù)的高速發(fā)展要求，因此，F(xiàn)PGA教學(xué)系統(tǒng)迅速發(fā)展起來目前，國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)都開始了相關(guān)的FPGA課程：加拿大多倫多大學(xué)早在80年代中期就投入到FPGA的教學(xué)研究當(dāng)中，并公開了FPGA芯片的研究方法和相關(guān)的工具；美國(guó)斯坦福大學(xué)直接用Xilinx大學(xué)計(jì)劃提供的開發(fā)板進(jìn)行教學(xué)研究；麻省理工大學(xué)根據(jù)自身要求，開發(fā)出了一款基于Xilinx芯片的FPGA實(shí)驗(yàn)板，供學(xué)生使用；伯克利大學(xué)的天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用FPGA技術(shù)分析搜集到的無線電，來判斷是否有外星人；亞利桑那大學(xué)也在硬件教學(xué)實(shí)驗(yàn)中加入了FPGA和EDA的內(nèi)容。

在國(guó)內(nèi)，由于種種原因，F(xiàn)PGA的研究仍處于起步階段，但是很多大學(xué)已經(jīng)開設(shè)了FPGA相關(guān)課程它們主要是和Xilinx公司組建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，由Xilinx公司免費(fèi)提供大量的FPGA開發(fā)平臺(tái)及套件，給學(xué)生進(jìn)行FPGA基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如浙江大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等知名學(xué)府隨著FPGA知識(shí)的普及， 大多數(shù)高校開始了從事FPGA應(yīng)用方面的研究，比如上海交通大學(xué)用FPGA做人臉識(shí)別的項(xiàng)目，西安交通大學(xué)用FPGA來做機(jī)器人，北京工業(yè)大學(xué)用FPGA給玩具做語音識(shí)別，天津工業(yè)大學(xué)用FPGA進(jìn)行信號(hào)傳輸與處理，等等1.4 RISC CPU 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1964年CDC公司推出的CDC6600是第一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)，具備了RISC的一些基本特征1975年Cocke到IBM的Yorktown研究中心開始研制IBM 801，801是最早開始設(shè)計(jì)的RISC處理器，Cocke獲得了Eckert-Mauchly和Turing獎(jiǎng) 經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展目前,比較有影響的 RISC 處理器產(chǎn)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。

隨著我國(guó)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)還將對(duì)我國(guó)的生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生日益深遠(yuǎn)的影響近年來我國(guó)在CPU設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了一些重大突破，相繼研制出龍芯系列、方舟系列高性能CPU，此外位于臺(tái)灣的威盛電子也是較大的處理器生產(chǎn)商然而我國(guó)的CPU設(shè)計(jì)及制造技術(shù)與國(guó)外相比還有很大差距，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)中與 CPU 相關(guān)的許多核心技術(shù)及產(chǎn)品仍然主要依賴進(jìn)口，不僅經(jīng)濟(jì)上受制于人，而且信息系統(tǒng)的安全乃至國(guó)家安全也面臨威脅FPGA 技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)至今，引起了電子設(shè)計(jì)技術(shù)的深刻變革，也成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心因此，基。