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课程设计 简单cpu的逻辑设计 共38页，14735字
[摘要] 基于现场可编程( FPGA) 技术和硬件描述语言VHDL 的设计和综合,通过自顶向下的设计方法和模块化设计思想, 在Quartus Ⅱ环境下能定制、仿真、下载验证和实现CPU 功能。通过VHDL语言定制了运算器ALU 模块和调用宏模块定制了RAM 模块,介绍了基于FPGA 的CPU 设计方法,并通过初始化程序进行验证,实现了基于FPGA 的CPU 功能,表明基于FPGA 技术在设计CPU 核和大规模集成电路设计方面可根据实际情况定制,具有灵活性、可靠性和可扩展性。
[关键字] FPGA CPU Quartus Ⅱ 仿真 宏模块

一、 设计任务与要求
CPU 的设计是《计算机组成原理》中一个很重要的内容。随着可编程逻辑器件的发展, 利用QuartusII 的软件平台设计一个简单的CPU ，并下载到FPGA/CPLD进行验证,此CPU 所执行的指令可任意添加，通过设计深入了解计算机的各个功能部件的功能及工作原理, 深入了解状态机控制器是如何控制模型机的运行,了解整机动态过程, 及理解计算机从机器指令到微指令的工作原理。
要求：
（1）完成简单CPU逻辑设计的整体方案设计
（2）完成简单CPU逻辑设计的功能设计
（3）完成简单CPU逻辑设计的仿真验证
（4）完成简单CPU逻辑设计的实际调试
二、方案设计与论证
1、可行方案选择与论证
CPU即中央处理器，是计算机的核心。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。本CPU设计系统中控制器选择状态机控制器方案，而其对应的指令集类型选择CISC。
1.1 CPU系统的选择
（1）ASIC方案设计
ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路)，是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物。ASIC是为某个客户定制的芯片，费用高、风险大、周期长。如果要实施这个方案，系统设计就必须考虑成本、周期等问题。
（2）基于FPGA设计方案
FPGA是Field Programmable Gate Array的简称。FPGA的出现为现代电子产品嵌入式的设计带来了更大的灵活性，更容易实现片上系统（SOC） 。通过在FPGA上嵌入NIOS‖处理器，再采用C，或C++对各种逻辑器件进行控制。 另外在FPGA上采用VHDL硬件描述语言编写各种逻辑器件的驱动，从而实现各种功能。
方案选择与论证：
FPGA 开发流程大致为：选定器件，安装软件，设计输入，代码调试（包括管脚定义、时序定义、时序分析），设计仿真（功能仿真、时序仿真）和下载调试。而ASIC 是为某个客户定制的芯片，与FPGA 相比，有非通用的后端设计费、制掩模费、测试费等，故前期成本较高。
与传统芯片实现ASIC相比，FPGA具有实现速度快、风险小、可编程、可随时更改升级等一系列优点，因而得到了越来越广泛的应用。
基于FPGA的设计可以利用VHDL编程，可在每一步对设计进行仿真，保证每一步设计都可达到要求，使成本更节约，精度更高，开发周期更短； Altera公司开发的QuartusII软件集成了功能强大的宏模块，可以方便地进行调用，以便更快更可靠完成设计工作。因此选择基于FPGA的简单CPU的逻辑设计。
1.2 指令集类型的选择
指令系统优化设计有两种截然相反的方向，一个是增强指令的功能，即操作种类多，功能强，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现，这种计算机系统称为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）；另一个是20世纪80年代新发展起来的，尽量简化指令功能，提供最必须的操作，指令在一个节拍内执行完成，较复杂的功能用子程序来实现，这种计算机系统称为精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。
（1）CISC复杂指令系统
为了提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，在指令系统中增加更多的和更复杂的指令，来使得高级语言的编译更加方便。复杂指令系统计算机CISC的特点是：指令功能强大，指令格式比较复杂，寻址方式丰富，各种指令使用频率相差很大，各种指令执行时间相差也很大。
（2）RISC精简指令系统
它是在CISC指令系统基础上发展起来的，相对于CISC型CPU ,RISC型CPU
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