文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于MIPS指令集的RISC微处理器数据通路的设计与实现
姓名:刘宁
申请学位级别:硕士
专业:计算机应用技术
指导教师:曹计昌
20080603
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着集成电路技术的发展,SOC 的设计方法越来越流行。基于 SOC 的方法进行嵌
入式系统设计,可以显著降低开发成本,并且易于维护。
嵌入式系统中,微处理器是核心,决定了整个嵌入式系统的性能。MIPS 指令格
式清晰、紧凑,采用 MIPS 指令设计微处理器可以简化体系结构的设计,并得到比较
好的性能。最终的设计以 MIPS 指令集为基础,实现了五级流水 RISC 微处理器。
根据对 MIPS 指令集的研究,选取了待实现的指令,及指令寻址方式。通过对指
令执行过程的详细分析,设计和实现了各逻辑功能模块,包括:存储指令和数据的存
储模块、高速提供运算操作数的寄存器堆、完成操作数运算的算术逻辑单元、对 16
位操作数进行扩展的符号扩展单元。在完成各模块设计后,设计和实现了单周期 RISC
数据通路。
流水线是提高微处理器性能的重要方法,在对单周期数据通路设计的基础上,
对流水线数据通路进行详细分析,设计了流水线寄存器,最终建立了基于 MIPS 指令
集的五级流水线数据通路。
设计完成后,对流水线数据通路进行仿真,然后下载到 FPGA 开发板进行验证。
最终的数据通路支持 34 条指令,主频达 40 M HZ。

关键字: 片上系统,精简指令集微处理器,流水线,数据通路

I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
With the development of integrated circuit technology, SOC design es more
and more popular. The SOC-based approach to embedded system design reduces the cost
of development significantly, it also makes maintainance easier.
The microprocessor is the core of embedded systems, it determines the performance
of the entire embedded system. The MIPS instruction format is clear pact; it can
simplify the design of the microprocessor architecture, and achieves relatively good
performance. The ultimate design is based on the MIPS instruction set, and it has five
stages pipeline.
Based on the research of MIPS instruction set, instructions and instruction addressing
has been chosen to implement. The detailed analysis of execution, the functional unit
designed includes: the memory unit of instruction and data, the register files providing
high-speed operation, the arithmetic logical unit, the sign extend unit. We implement the
data path of single cycle risk processor after all the modules are designed.
As we know, the pipeline is the most important method to improve the performance of
the embedded microprocessor. pletion of single cycle processor data path, we
carefully analyze and design the pipeline processor data path and registers, and eve