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基于armv4架构的嵌入式微处理器设计

基于ARMv4架构的嵌入式微处理器设计

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作者：王耿暨南大学

学位级别：硕士

随着IC技术的发展,芯片集成的功能越来越多,而SoC芯片的核心部件是嵌入式微处理器,其性能的好坏直接影响到整个嵌入式系统。ARM架构的微处理器性能优越,在市场上占据主导地位,但是基于ARM架构的微处理器IP核异常昂贵,不利于国产芯片的... 详细信息

随着IC技术的发展,芯片集成的功能越来越多,而SoC芯片的核心部件是嵌入式微处理器,其性能的好坏直接影响到整个嵌入式系统。ARM架构的微处理器性能优越,在市场上占据主导地位,但是基于ARM架构的微处理器IP核异常昂贵,不利于国产芯片的普及推广。因此,研究兼容ARM指令集嵌入式微处理器的设计,对于中国芯片产业的发展具有重要意义。本文旨在设计一款基于armv4架构的嵌入式微处理器。armv4是ARM公司出货量最多的微处理器系列所采用的指令集之一,以低功耗和高性能著称,并且采用该架构能够兼容现有的编译器,便于设计后期的调试工作。论文首先深入研究了armv4体系架构,对指令集编码进行归类分析,然后设计出微处理器内核的整体结构。在原始三级流水线的基础上增加寄存器回写阶段,构成四级流水线模式,简化指令执行阶段的操作,提高指令的执行效率。内核的乘法运算模块采用单周期乘法器,该乘法器采用改进的Booth编码和Wallace树型结构,能够实现高速乘法运算。在研究现有的AMBA总线的基础上,设计兼容最新AXI4总线接口的外围设备,加上总线接口控制模块后的外围设备接口,能够适用于更广泛的应用场合。本文采用Verilog硬件描述语言完成整个系统的前端设计,使用仿真工具Modelsim对内核的执行指令功能,以及外围设备与总线之间的通信功能进行仿真验证,并且对内核与通用异步串口的通信功能进行了FPGA板级验证。仿真测试表明,本文设计的armv4嵌入式微处理器功能正确,具备一定的实用性,可应用于SoC系统以及FPGA的设计开发中。

关键词： armv4架构流水线乘法器 AXI4总线

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