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毕业设计说明书
基于 VHDL 语言的 8 位 RISC-CPU 的设计
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201 年 月

中 文 摘 要
摘 要
RISC 即精简指 令 集 计算机( Reduced Instruction Set Computer ) 的 缩 写。
RISC-CPU 与一般的 CPU 相比,通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合
理,从而提高了运算速度。本文对 RISC-CPU 的架构进行了分析,并使用
VHDL 语言设计了 8 位 RISC-CPU IP 软核。
RISC-CPU 由八大基本模块构成:时钟发生器、指令寄存器、累加器、算
术逻辑单元、数据输出控制器、地址多路器、程序计数器、状态控制器。本设
计中借助 MAX+PLUSⅡ 软件平台对各模块进行时序仿真,并最终给出了指令执
行的仿真波形,验证了 CPU 的功能。
设计仿真结果表明,该 8 位 RISC-CPU 能够完成既定的任务指标,而且在
运行效率上有一定程度改善。
关键词:RISC-CPU、VHDL、MAX+PLUSⅡ、IP 软核、时序仿真
I

Abstract
Abstract
RISC reduced instruction set computer that (Reduced Instruction Set Computer)
acronym. RISC-CPU and CPU in general compared to instruction by simplifying the
structure of the computer is more simple and reasonable, thereby increasing
processing speed. In this paper, RISC-CPU architecture is analyzed, and by using the
VHDL language, I designed an 8-bit RISC-CPU IP soft core.
RISC-CPU is based on 8 modules: clock generator, instruction register,
accumulator, arithmetic logic unit, data output controller, address multiplexer,
program counter, state controller. In the design, each module are timing simulated on
MAX+PLUS software platform, and finally the simulated waveform of instructionⅡ
execution that verifies the CPU features is given.
Design and simulation results show that the 8-bit RISC-CPU can complete the
tasks, and also has a certain degree of improvement on operational efficiency.
Keywords: RISC-CPU, VHDL, MAX+PLUSⅡ, IP soft core, Timing Simulation
II

目 录
目 录
摘 要..........................................................................................................................................................I
ABSTRACT............................................................................................................................................II
目 录.......................................................................................................................................................III
第一章 引 言............................................................................................................................................1
1.1 题背景与发展现状.........................................................................................................................1
1.1.1
课题背景
..................................................................................................................................1
1.1.2 RISC-CPU
的发展现状
............................................................................................................1
1.2 RISC-CPU 优势与现实意义...........................................................................................................1
1.2.1 RISC-CPU
具备的优势
............................................................................................................1
1.2.2
本课题的现实意义
..................................................................................................................2
1.3 本设计的主要内容.........................................................................................................................2
第二章 RISC-CPU 的架构设计.............................................................................................................3
2.1 RISC-CPU 基本架构.......................................................................................................................3
2.2 RISC-CPU 模块的划分...................................................................................................................4
第三章 八位 RISC-CPU 各模块设计与仿真.........................................................................................6
3.1 时钟发生器.....................................................................................................................................6
3.2 指令寄存器.....................................................................................................................................7
3.3 累加器...........................................................................................................................................10
3.4 算术逻辑单元................................................................................................................................11
3.5 数据输出控制器...........................................................................................................................14
3.6 地址多路器...................................................................................................................................15
3.7 程序计数器...................................................................................................................................16
3.8 状态控制器...................................................................................................................................17
第四章 RISC-CPU 的综合及操作时序...............................................................................................25
4.1 RISC-CPU 各模块综合.................................................................................................................25
4.2 CPU 复位启动操作时序...............................................................................................................29
结 论.......................................................................................................................................................30
参考文献.................................................................................................................................................31
致 谢.......................................................................................................................................................32
III

第一章 引 言
第一章 引 言
1.1 题背景与发展现状
1.1.1 课题背景
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。CPU 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 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。而 RISC 处理器的出现标志着计算机体系结构中的一个根本性变革。
RISC 即精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer)的缩写。从实
现的途径看,RISC-CPU 与一般的 CPU 的不同处在于:它的时序控制信号形成
部件是用硬布线逻辑实现的而不是采用微程序控制的方式。所谓硬布线逻辑也
就是用触发器和逻辑门直接连线所构成的状态机和组合逻辑,故产生控制序列
的速度比用微程序控制方式快得多,因为这样做省去了读取微指令的时间。
1.1.2 RISC-CPU的发展现状
IBM 公司在 1975 年成功开发出第一款 RISC 处理器,从此 RISC 架构开始
走进超级计算机中。由于指令高度简约,RISC 处理器的晶体管规模普遍都很小
而性能强大,深受超级计算机厂商所青睐。很快,许多厂商都开发出了自己的
RISC 指令系统,除了 IBM 的 Power 和 PowerPC 外,还有 DEC 的 Alpha、SUN
的 SPARC、HP 的 PA-RISC、MIPS 技术公司的 MIPS、ARM 公司的 ARM 等。
它的应用范围也远比 X86 来得广泛,大到各种超级计算机、工作站、高阶服务
器,小到各类嵌入式设备、家用游戏机、消费电子产品、工业控制计算机,都
可以看到 RISC 的身影。
1.2 RISC-CPU 优势与现实意义
1.2.1 RISC-CPU具备的优势
RISC 有一套优化过的指令架构,它是根据著名的 80/20 法则所订立。早在
上个世纪 60 年代,计算机科学家们发现,计算机中 80%的任务只是动用了大约
20%的指令,而剩下 20%的任务才有机会使用到其他 80%的指令。如果对指令
系统作相应的优化,就可以从根本上快速提高处理器的执行效率。
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