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毕业论文-32位RISC CPU运算模块的设计与实现，共64页，28711字
摘要
随着半导体技术和系统设计技术的发展，以IP 核为基础的集成电路设计形式得到极大的重视和长足的发展，同时32位嵌入式RISC处理器已成为高中端嵌入式应用和设计的主流，其中运算模块是CPU中很重要的一个部件，它完成各种算术运算和逻辑运算等功能。本文重点对运算模块进行设计。
本文首先介绍课题研究的背景、国内外研究现状，阐述与运算模块相关的知识，其次本文把运算模块分为算数和比较、逻辑、乘法器三个部分，分别从这三个模块的指令描述、模块接口和模块结构去设计运算模块的构架。整个设计从总体结构到局部功能的实现均采用自顶向下的设计方法和模块化的设计思想。基于此构架，设计与实现运算模块各个部分。此运算模块实现的功能包括加、减、乘、逻辑运算、移位运算等。其中乘法器模块采用布斯阵列乘法器的设计方法，并对设计的关键路径进行了优化。由于均是单节拍指令，所以设计时不需要考虑指令执行级的流水线情况。
本论文编码采用硬件编程语言Verilog HDL来描述TOP-DOWN的设计全过程。通过对运算模块的功能验证，得出此运算模块能正确实现逻辑功能，该设计基本符合预定的目标。
关键词 RISC；运算模块；Wallace 树；Verilog HDL

目录
摘要 I
Abstract II
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文的组织结构 3
第2章 相关知识介绍 4
2.1 集成电路自上而下的设计流程 4
2.2 CISC和RISC 5
2.3 CISC的产生、发展和现状 5
2.3.1 RISC的产生、发展和现状 6
2.3.2 CISC与RISC的区别 6
2.4 开发语言与开发工具的选择 8
2.4.1 硬件描述语言的选择 8
2.4.2 开发工具及工艺库的选择 10
2.5 本章小结 10
第3章 运算模块架构的构建 11
3.1 算数和比较指令 11
3.1.1 指令描述 11
3.1.2 模块接口 11
3.1.3 模块结构 12
3.2 逻辑指令 14
3.2.1 指令描述 14
3.2.2 模块接口 14
3.2.3 模块结构 14
3.3 乘法指令 15
3.3.1 指令描述 15
3.3.2 模块接口 15
3.3.3 模块结构 16
3.3.4 符号调整 18
3.4 本章小结 18
第4章 运算模块的设计与实现 19
4.1 运算模块指令集 19
4.2 运算模块整体结构 19
4.3 算术运算和比较模块的设计与实现 20
4.4 逻辑运算模块的设计与实现 21
4.5 乘法器的设计 23
4.5.1 简单的移位乘法器 23
4.5.2 布斯阵列乘法模块设计与实现 25
4.6 本章小结 32
第5章 运算模块的验证与分析 33
5.1 运算模块的验证 33
5.2 运算模块的分析 37
5.3 本章小结 39
结论 40
致谢 42
参考文献 43
附录 45

本文共分为五章，其组织结构如下：
第一章介绍课题背景，分析国内外集成电路产品研究的现状，最后给出了本文的结构。
第二章对本文所要用的的相关知识提前进行说明，首先，从整体上介绍了集成电路的设计流程；然后，简要的介绍了CISC与RISC的产生、发展和现状，并概述了它们的区别；最后，对硬件描述语言的选择和开发工具及工艺库的选择进行了详细的说明。
第三章设计运算模块的整体架构，分别通过指令描述、模块接口和模块结构3个方面对算术和比较指令、逻辑指令和乘法指令进行了具体的分析，详细描述了32位RISC运算器的设计过程。
第四章描述了32位RISC运算模块的设计与实现过程，首先对运算模块部件进行了概述，然后分别对运算和比较模块、逻辑运算模块和乘法器模块的设计与实现进行了详细的说明，最后，在完成了算术逻辑运算部件的设计后，对设计的关键路径进行了优化。
第五章对运算模块进行了验证和分析，在整个模块设计完成后，与CPU的其它模块整合后进行了整体仿真验证，保证运算模块设计的正确性。
本文设计实现了运算模块。该运算模块作为基于ARM指令集兼容子集的32位RISC CPU软核的执行部件，包括移位器，算术逻辑单元和乘法器等。设计时采用自上而下的设计方法，首先根据运算模块需要实现的功能对其进行模块划分。在划分模块时尽量保持各模块的完整性，使得各模块之间不存在胶合逻辑。然后具体设计各功能模块。最后采用综合工具synopsys 对整个运算模块进行综合，并与CPU的其它模块整合后进行测试，验证其功能的正确性。