8位RISC微处理器设计与仿真

本科学生毕业论文论文题目：8位RISC微处理器设计与仿真学院：电子工程学院年级：2008级专业：集成电路设计与集成系统姓名：学号：指导教师：2012年5月12日摘要CPU即中央处理单元的英文缩写，它是计算机的核心部件。

计算机进行信息处理可分为将数据和程序（即指令序列）输入到计算机的存储器中和从第一条指令的地址起开始执行该程序，得到所需结果，结束运行。

CPU的作用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列，使其有条不紊地进行。

因此它必须具有取指令、分析指令、执行指令的功能。

RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。

不过它虽然容易，却也不失CPU的基本功能和结构。

本文对RSIC CPU 的结构、实现进行了讨论，详细介绍了如何设计RSIC CPU ，并且立足于RSIC CPU 设计实例，用Verilog HDL语言编写了模块，以EDA工具Quartus II进行仿真，全面而系统地介绍了RSIC CPU设计设计实例从模块划分、设计输入、功能仿真、逻辑综合、时序仿真等各环节的流程和方法。

同时本CPU的总体结构到局部功能的实现采用了自顶向下的设计方法和模块化的设计思想。

关键词RISC CPU；Verilog HDL；功能仿真AbstractCPU is the the acronym of Central Pressing Unit.it is the centre of computer.There are two parts:taking the data and program(order-array)put in the computer and carry out the program from the first order,receive the result,then finish the running.The function of CPU is coordination and control every part to carry out the order,make it go well,so the CPU are provided with the function of get analyse and carry out the order.RISC(reduced instruction set computer)CUP means that make the CPU as simple as possible,it is simple,but it is provided with function and constraction as a CPU , This paper discusses the construction of RISC CPU and introduces how to design a RISC CPU.Then the paper focuses on an 8 bits RISC CPU. Combined with EDA tools——Quartus II simulation tool it comprehensively and systematacially introduces the flow and methodology of RISC CPU design which is from module partition,design import,function simulation,logic synthesis,timing simulation.At the same time,the construction of CPU and function of part with the design ideology frome top to bottom.Key wordsRISC CPU;Verilog HDL;Function Simulation目录摘要 (I)Abstract (II)前言 (1)第一章CPU与RISC CPU (2)1.1 CPU概述 (2)1.1.1 基本原理 (2)1.1.2基本结构 (2)1.2 CPU发展与前景 (3)1.2.1 CPU的发展史 (3)1.2.2 CPU多核的必然 (3)1.3 RISC CPU介绍 (4)1.4本章小结 (4)第二章语言与操作工具的概述 (5)2.1 Verilog HDL语言概述 (5)2.1.1 HDL概念与发展史 (5)2.1.2 Verilog HDL语言特点 (5)2.2 QuartusII概述 (6)2.2.1 QuartusII概念与发展史 (7)2.2.2 QuartusII特点 (7)2.3本章小结 (7)第三章RISC CPU结构 (9)3.1 RISC CPU各个子模块的功能和设计思想 (9)3.1.1 RISC CPU寻址方式和指令系统 (10)3.1.2 时钟发生器 (10)3.1.3 指令寄存器 (12)3.1.4 累加器 (16)3.1.5 算术运算器 (17)3.1.6 数据控制器 (18)3.1.7 地址多路器 (20)3.1.8 程序计数器 (21)3.1.9 状态控制器 (22)3.2 外围模块 (26)3.2.1 地址译码器 (26)3.2.2 RAM (28)3.2.3 ROM (30)3.3本章小结 (31)第四章RISC CPU功能验证 (32)4.1 RISC CPU 操作和时序 (32)4.1.1 系统的复位和启动操作 (33)4.1.2 总线读操作 (33)4.1.3 总线写操作 (34)4.2本章小结 (34)结论 (35)参考文献 (36)附录 (38)致谢 (52)前言21世纪，人类进入了信息化的时代，CPU作为集成电路的高端产品，随着半导体工艺水平的发展，遵守摩尔定律发展规律，CPU性能每过18个月就会翻一番。

CPU从最初发展至今已经有几十年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器。

CPU是Central Processing Unit－中央处理器的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成，其内部结构归纳起来可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，便可以进行分析，判断、运算并控制计算机各部分协调工作。

CPU能对指令进行译码并进进行执行规定的动作，可以进行算术和逻辑运算，能与存储器、外设交换数据、提供整个系统所需要的控制。

CPU是一个复杂的数字逻辑电路，但是基本的逻辑并不复杂。

第一章CPU与RISC CPU本节将简单介绍CPU特点、功能作用、发展历程以及CPU基本结构。

通过本章，我们将对CPU有一个简单的认识和了解。

1.1 CPU概述中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是电子计算机的主要设备之一。

其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。

CPU是计算机中的核心配件，是一台计算机的运算核心和控制核心。

计算机中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

CPU内部存储器和输入/输出设备是电子计算机的三大核心部件。

CPU是由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。

1.1.1 基本原理CPU的主要运作原理，不论其外部还是内部结构，都是执行储存于被称为程式里的一系列指令，在此讨论的是遵循普遍的架构设计的。

程式以一系列数字储存在电脑记忆体中。

几乎所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取(Fetch)、解码（Decode）、执行(Execute)和写回(Writeback)。

1.1.2基本结构CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。

它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。

指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。

有的指令中也直接包含操作数本身[1]。

1.2 CPU发展与前景1.2.1 CPU的发展史从20世纪70年代开始，由于集成电路的大规模使用，把本来需要由数个独立单元构成的CPU集成为一块微小但功能空前强大的微处理器时。

这个名称及其缩写才真正在电子计算机产业中得到广泛应用。

尽管与早期相比，CPU在物理形态、设计制造和具体任务的执行上都有了戏剧性的发展，但是其基本的操作原理一直没有改变。

1971年，当时还处在发展阶段的Intel公司推出了世界上第一台真正的微处理器－－4004。

这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，从此以后，Intel公司便与微处理器结下了不解之缘。

可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是Intel公司X86系列CPU的发展历程，就通过它来展开的“CPU历史之旅”。

这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。

集成电路使得更为复杂的CPU可以在很小的空间中设计和制造出来（在微米的量级）。

1990年，高速CPU时代的腾飞Intel公司推出的80386 SL和80386 DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。

80386 SL与80386 DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但两者皆增加了一种新的工作方式：系统管理方式。

当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“休眠”状态，以达到节能目的。

CPU的标准化和小型化都使得这一类数字设备在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。

现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。

人们又进入了奔腾时代、酷睿时代[2]。

1.2.2 CPU多核的必然厂商的微处理器发展计划随着64位处理器的来临，英特尔特制定了IA64的发展蓝图，将采用多种方法提升高端处理器安腾的性能这些方法包括提高时钟频率，加入额外地处理内核，改善总体架构效率，以及提升L1、L2、L3高速缓存容量和速度。

英特尔推出了全新的代号为TANGLEWOOD的处理器，这是一种集成了16个内核的CPU，它将带有海量的缓存，和更高的主频。