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基于FPGA的嵌入式CPU设计.doc
摘 要

随着EDA技术的快速发展，基于FPGA的嵌入式微处器的应用越来越广泛。同时使用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)和基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)来设计电路的方法也得到迅速的完善。基于FPGA的嵌入式系统具有设计周期短、产品上市速度快、设计风险和成本低、集成度高、灵活性大、维护和升级方便、硬件缺陷修复和排除简单等优点。
本文基于FPGA设计一个16位的中央处理器(CPU)，先从CPU的结构和工作原理出发，提出两种设计方案。一种是使用流水线技术的精简指令集的CPU(即RISC CPU)，另一种不使用流水线技术的RISC CPU。通过分析可以知道第一种方案可以达到较高的工作效率和执行速度，但实现起具有一定的难度。第二种方案实现比较简单，但难以达到工作频率和执行速度较高的设计目标。因此，设计采用流水线技术设计。这个CPU具有16位的地址总线和数据总线，并且采用了5级流水线来提高CPU的工作效率。该流水线CPU由取指令(IF)、指令译码和读寄存器文件(ID)、执行或计算地址(EXE)、存储器访问(MEM)、回写(WB)五个部分组成。
CPU的各部件利用VHDL语言和EDA工具设计实现的，采用自顶向下的设计方法。EDA工具使用了Altera公司的Quartus II 5.0设计软件。

关键词 中央处理器，精简集，流水线指令
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