RISC流水线架构的具有复杂指令系统的8位微处理器设计

微处理器是驱动计算机技术和信息技术发展的火车头，在数字电路设计中占有举足轻重的地位。同时微处理器与嵌入式操作系统相配合，可以组成功能复杂且可扩展的各种系统，从而满足不同的应用需求。 根据指令系统的复杂程度，一般微处理器可以分成复杂指令系统微处理器(CISC)和精简指令系统微处理器(RISC)。两者有着不同的应用领域。CISC拥有复杂且相对比较庞大的指令系统，能够有效缩短新指令的微代码设计时间，但同时也使得硬件设计复杂度比较高。RISC是为了提高处理器运行的速度而设计的芯片体系。它的特点在于指令系统精简高效，大多数指令可以在一个周期内执行完成。CISC和RISC都可以采用流水线设计，从而大大加快指令的执行速度。 凹凸电子(02micro)是一家著名的IC设计公司，我设计了一个定制的微处理器内核，以用于其电源与电池管理芯片。该处理器内核的主要特点为： 1：采用哈佛(Harvard)体系结构，指令存储在指令存储器上，而数据存储在数据存储器中。数据字长为8位，指令和地址字长为16位，共有116条指令，其指令系统是根据实际的电源与电池管理控制芯片设计的技术指标和应用特点而定制开发的。程序存储器ROM的容量为65K*16bit，数据存储器的容量为65K*8bit。 2：本系统采用了典型的5级流水线设计，包括取指，译码，取操作数，执行和写回这5个指令执行阶段，大多数指令能够在一个时钟周期内执行完毕。从而具有较高的执行速度。 3：基于SRAM的堆栈模式。使用SRAM的某个区域来当作堆栈使用。 4：吸取了CISC与RISC各自的优点，采用RISC的设计方法和架构来设计具有复杂指令系统的微处理器。 本课题采用硬件描述语言VerilogHDL及自顶向下的方法设计微处理器内核。程序代码约为5000行，电路源代码完成并且通过仿真和综合后，使用FPGA进行了测试和验证。