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基于FPGA的MCU IP核设计与研究

作　者: 常允凤
导　师: 徐建城
学　校: 西北工业大学
专　业: 电路与系统
关键词: IP核微控制器 FPGA 数据通路控制通路
分类号: TN702
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 691次
引　用: 5次
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内容摘要

本文对现今市场流行的基于RISC技术的MCU进行了分析,发现其使用流水线结构来提高指令执行效率的技术会给内部控制逻辑的设计带来极大的困难。为了简化控制器设计,本文以传统51系列的MCU为基点,对其进行了系统而深入的分析。分析发现基于累加器的ALU结构、CISC指令体系及指令的执行时间是影响其性能的关键因素。针对于此,设计了一种具有特色的微处理器内核。该处理器内核采用哈佛结构、单相时钟、全同步设计,在内核结构、指令系统和指令时序上对传统的51系列MCU进行了改进,从而加快了微处理器的处理速度,提高了指令的执行效率。本文所设计的MCUIP软核采用VHDL语言编写,可读性好,易于扩展使用,易于升级,更利于软核的移植,非常适于基于IP核复用技术的SoC设计。采用各种EDA工具对整个微控制器内核进行了较完整的软件仿真验证。验证结果表明:所设计的微处理器核在最高时钟频率和最高指令执行速度方面均优于传统典型微控制器MCS-8051内核的3倍以上。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-12
  1.1研究的背景  7
  1.2SOC与IP技术  7-8
  1.3MCU的特点及发展现状  8-9
  1.4课题意义、工作内容  9-12
第二章FPGA原理、设计与应用  12-19
  2.1EDA技术及其发展  12
  2.2FPGA的结构特点  12-14
  2.3FPGA的设计  14-17
    2.3.1设计输入  15
    2.3.2设计实现  15-16
    2.3.3设计验证  16-17
  2.4FPGA发展及其应用前景  17-18
  2.5小结  18-19
第三章MCU IP核总体结构设计  19-26
  3.1常用八位微控制器的应用分析  19
  3.2对现有MCU的改进  19-20
  3.3所设计MCU IP核的特点  20-21
  3.4MCU IP核结构设计  21-23
    3.4.1MCU IP核结构的层次划分  22-23
    3.4.2MCU IP核总体结构设计  23
  3.5MCU IP核设计流程与工具  23-24
  3.6小结  24-26
第四章基于FPGA的MCU IP核数据通路设计  26-37
  4.1ALU的设计  26-33
    4.1.1加/减运算模块的设计  27-28
    4.1.2乘/除运算模块及DA指令模块的设计  28-31
    4.1.3逻辑模块和布尔运算的设计  31-33
  4.2存储器与特殊功能寄存器设计  33-35
  4.3小结  35-37
第五章基于FPGA的MCU IP核控制通路设计  37-52
  5.1指令系统分析  37-43
    5.1.1指令格式  37-38
    5.1.2寻址方式  38-39
    5.1.3指令操作码编码分析  39-41
    5.1.4指令执行的基本流程  41-43
  5.2指令译码器设计  43-44
  5.3时序设计  44-45
  5.4控制器模块设计  45-51
    5.4.1控制器设计方法  45-46
    5.4.2控制器有限状态机设计  46-51
  5.5小结  51-52
第六章MCU IP核的综合、仿真验证和性能分析  52-69
  6.1MCU IP核的综合  52-56
  6.2MCU IP核的仿真验证  56-66
    6.2.1仿真验证的方法  56-57
    6.2.2仿真验证的实现  57-62
    6.2.3全指令集测试  62-66
    6.2.4仿真验证小结  66
  6.3MCU IP核的性能分析  66-68
  6.4小结  68-69
第七章总结与展望  69-71
  7.1论文成果总结  69
  7.2进一步工作的设想  69-71
参考文献  71-73
攻读硕士学位期间所撰写的论文  73-74
致谢  74-75

基于FPGA的MCU IP核设计与研究

内容摘要

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