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课程设计报告-简单微处理器的设计.doc
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本课程设计采用EDA技术设计简单微处理器。系统设计采用自顶向下的设计方法。它由数的输入,数的比较,数的交换和结果输出四部分组成。系统实现采用硬件描述语言VHDL把系统电路按模块化方式进行设计,然后进行编程、时序仿真并分析。系统结构简单,使用方便,功能齐全,精度高,具有一定的应用价值。
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简单微处理器的设计
摘要:本课程设计采用 EDA 技术设计简单微处理器。系统设计采用自顶向下的设计方法。
它由数的输入,数的比较,数的交换和结果输出四部分组成。系统实现采用硬件描述语言
VHDL 把系统电路按模块化方式进行设计,然后进行编程、时序仿真并分析。系统结构简单,
使用方便,功能齐全,精度高,具有一定的应用价值。
关键词:处理器;输入;比较;交换
目录
1 引 言 ...................................................................1
1.1 课题设计的背景、目的 .................................................1
1.2 课程设计的内容 ......................................................1
2 EDA、VHDL 简介 ............................................................3
2.1 EDA 简介 .............................................................3
2.2 VHDL 简介 ............................................................3
VHDL 语言的特点 .......................................................3
VHDL 的设计流程 .......................................................4
3 简单微处理器的设计过程 ....................................................5
3.1 设计规划 .............................................................5
3.2 各模块设计及相应程序 .................................................5
4 系统仿真 ..................................................................9
1.数的输入. ..............................................................9
2 数的比较。 .............................................................9
3 交换两个数。 ..........................................................10
4 结果输出(从小到大). .................................................10
结束语 .....................................................................11
致 谢 ....................................................................12
参考文献 ...................................................................13
附 录 ....................................................................14
李江江 简单微处理器的设计 第 1 页 共 25 页
-1-
1 引 言
随着社会的发展,科学技术也在不断的进步。特别是计算机产业,可以说是日新月
异,而处理器,作为计算机中的一个重要部分,其性能从很大程度上决定了计算机的性
能。本设计介绍的简单微处理器,要求具有以下验证程序所要求的功能:输入包含10个
整数(无符号数)的数组M,按从小到大的顺序输出这10个数。
1.1课题设计的背景、目的
微处理器技术的发展是与微电子技术即大规模集成电路技术的发展分不开的。微电
子技术以每 18 个月集成度提高一倍的速度迅速发展。20 世纪 80 年代初,主要是 16 位
微处理器 8086/8088。1985 年推出了 80386 微处理器,完成了 16 位体系结构向 32 位体
系结构的转变。1989 年 80486 出现了。80486 的设计目标是提高指令执行速度和支持多
处理器系统。80486 在芯片内部增加一个 8KB 的高速缓冲存储器(cache),还增加了相当
于 80387 的浮点部件(FPU),在基本指令的实现上,采用硬布线逻辑而不是微程序技术。
1993 年 3 月,Intel 公司推出了第一代“奔腾”微处理器(Pentium),微处理器技术发展进入
了一个新的阶段。到目前为止,“奔腾”已有四代产品。“奔腾”的设计思想是把如何提高
微处理器内部指令执行的并行性作为主导。指令执行的并行性越好,微处理器的性能就
越高。
本次设计的目的就是了解并掌握 VHDL 硬件描述语言的设计方法和思想,通过学习
的 VHDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系实际,掌握所学的课程知识,学习
VHDL 基本单元电路的综合设计应用。通过对实用电子称的设计,巩固和综合运用所学
课程,理论联系实际,提高 IC 设计能力,提高分析、解决计算机技术实际问题的独立
工作能力。通过课程设计深入理解 VHDL 语言的精髓,达到课程设计的目标。
1.2 课程设计的内容
本设计主要介绍的设计一台简单微处理器,要求具有以下验证程序所要求的功能:
输入包含 10 个整数(无符号数)的数组 M,按从小到大的顺序输出这 10 个数。
( 1 )程序开始及输入 10 个数据。
( 2 )数的比较。
李江江 简单微处理器的设计 第 2 页 共 25 页
-2-
( 3 )交换两个数。
( 4 )结果输出(从小到大)。
2 EDA、VHDL 简介
2.1 EDA 简介
EDA 是 Electronic Design Automation(电子设计自动化)的缩写,EDA 技术是 20 世纪 90
年代初以来迅速发展起来的现代电子工程领域的一门新技术。它可以编程逻辑器件
(PLD)为载体,以计算机为工作平台,以 EDA 工具软件为开发环境,以硬件描述语
言(HDL)作为电子系统功能描述方式,以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化
设计过程。
2.2VHDL 简介
VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription
Language,诞生于 1982 年。1987 年底,VHDL 被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述
语言 。自 IEEE 公布了 VHDL 的标准版本,IEEE-1076(简称 87 版)之后,各 EDA 公司相
继推出了自己的 VHDL 设计环境,或宣布自己的设计工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL
在电子设计领域得到了广泛的接受,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993
年,IEEE 对 VHDL 进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容,
公布了新版本的 VHDL,即 IEEE 标准的 1076-1993 版本,(简称 93 版)。现在,VHDL 和
Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言,又得到众多 EDA 公司的支持,在电子工程
领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为,在新的世纪中,VHDL 于 Verilog
语言将承担起大部分的数字系统设计任务。
2.3VHDL 语言的特点
VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电
路模块或一个系统)分成外部(或称可是部分,及端口)和内部(或称不可视部分),既
涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内
部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的
概念是 VHDL 系统设计的基本点。应用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的。
李江江 简单微处理器的设计 第 3 页 共 25 页
-3-
(1)与其他的硬件描述语言相比,VHDL 具有更强的行为描述能力,从而决定了他
成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构,
从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。
(2)VHDL 丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的设计早期就能查验设计
系统的功能可行性,随时可对设计进行仿真模拟。
(3)VHDL 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和
已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效,高速的完成必须有多人甚至
多个代发组共同并行工作才能实现。(4)对于用 VHDL 完成的一个确定的设计,可以利
用 EDA 工具进行逻辑综合和优化,并自动的把 VHDL 描述设计转变成门级网表。
(5)VHDL 对设计的描述具有相对独立性,设计者可以不懂硬件的结构,也不必管
理最终设计实现的目标器件是什么,而进行独立的设计。
2.4VHDL 的设计流程
它主要包括以下几个步骤:
1.设计规范的定义
这个有点象系统的设计的总体规划,就是要明确这个系统有哪些设计要求,和你要
想到达的目标。
2.采用 VHDL 进行设计描述
这部分包括设计规划和程序的编写。设计规划主要包括设计方式的选择及是否进行
模块划分。设计方式一般包括直接设计,自顶向下和自底向下设计,这个和其他软件语
言差不多。最重要还是模块划分,这个和设计者的设计水平有很大关系。 完成规划设计
后,就可以编写个模块的 VHDL 程序了,最后将各模块的 VHDL 程序综合起来就完成了整
个设计的 VHDL 描述.
3.VHDL 程序仿真
这个过程和其他软件语言没什么区别。
4.综合、优化和布局布线
综合指的是将设计描述转化成底层电路的表示形式,其结果是一个网表或者是一
组逻辑方程;优化,这个主要是为了提高程序的执行效率及减少资源的利用;布局布线,
指的是将逻辑关系转化成电路连接的方式。
5.后仿真。
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