基于LC-3_ISA处理器的设计论文与仿真设计论文.doc

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 题目：基于LC-3 ISA处理器的设计与仿真 目 录 第一章 绪论 1 1.1集成电路与微处理器 1 1.2课题背景 1 1.3 本文工作 2 第二章 设计流程和语言工具 3 2.1 设计流程 3 2.2 开发语言 5 2.3 设计工具 6 2.3.1 QuartusII开发环境 6 2.3.2 ModelSim仿真工具 8 第三章 LC-3指令系统结构 10 3.1存储器结构 10 3.2 寄存器组 11 3.3 指令集 12 3.3.1 操作码 12 3.3.2数据类型 13 3.3.3寻址方式 13 3.4 自陷、异常和中断 17 3.4.1自陷 17 3.4.2 中断和异常处理 18 第四章 数据通路设计与实现 21 4.1 LC-3多周期处理器结构模块 21 4.2 数据通路分析 22 4.3功能模块的分析与设计 23 4.3.1寄存器的分析与设计 23 4.3.2 ALU的分析与设计 24 4.3.3多路选择器的分析与设计 25 4.3.4 分支判断的实现 26 4.3.5 加法器等其他功能模块部件 26 4.4 自陷、中断和异常的实现 27 4.4.1 当前栈指针产生器 27 4.4.2 PSR系统 28 4.4.3 向量控制器 29 4.5 数据通路总体实现 30 第五章 综合验证与性能分析 32 5.1 综合 32 5.2 验证 35 5.2.1 自陷服务与存储器映射I/O的仿真测试 36 5.2.2 特殊指令以及两种异常仿真测试 37 5.2.3 程序测试 39 5.3性能分析 41 结束语 44 致谢 45 参考文献 46 附录I 英文翻译 47 第一部分 英文原文 47 第二部分 中文译文 60 附录II 程序代码 71 附录III 82  第一章 绪论 1.1集成电路与微处理器 集成电路[1]发展初期最重要的应用领域就是计算机技术领域。计算机的发展是建立在集成电路技术的基础上的，而作为计算机核心部件的处理器，更是集成电路技术的结晶。1964年4月7日IBM公司研制成功了世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM 360，计算机从此进入了集成电路时代。此后，集成电路的发展为微型计算机的出现和发展奠定了基础。1971年，Intel公司成功地在一块12平方毫米的芯片上集成了2300个晶体管，制成了一款包括运算器、控制器在内的时钟频率仅为108kHz的可编程序运算芯片，它被称为中央处理单元（CPU），又称为微处理器，这就是世界上第一款微处理器——4004，从此便拉开了微处理器的序幕。此后微处理器芯片的集成度一直约每隔12至18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这就是著名的“摩尔定律”[2]。目前，微处理器的主频已经达到了GHz级别。可以毫不夸张地说，没有集成电路的发展就没有微处理器的出现，自然也就不会有现在的微型计算机了。 1.2课题背景 1993年，Yale Patt教授在密歇根大学提出对传统教学思路的改革。1995年秋季，Yale Patt和Kevin Compton教授开设EECS100课程，这一课程是计算机科学（CS）、计算机工程（CE）和电子工程（EE）三个专业的第一门计算机类主修课程。2001年，Yale Patt教授正式发行了第一本内容取自EECS100课程的教科书——Introduction to Computing Systems: from bits and gates to C and beyond [3]，书中内容包括两个部分：一是计算机底层结构（LC-2计算机），二是高级语言编程。此书发行后受到了大量学生和教师的好评，并且大多数人都赞同此书的编写方法，2004年Yale Patt教授正式推出该教科书的第二版[4]，第二版书中最大的改动就是采用LC-3结构替换了第一版的LC-2计算机模型。LC-3是一个Von Neumann存储程序型计算机，具有比较完备的指令系统结构（ISA），对理解计算机各个组成部件的结构特点、工作原理及相互协同运行机制具有重要作用。 2012年，我校计算机学院软件工程专业采用该教材《计算机系统概论 英文版第二版》[5]作为二年级学生计算机组成课程的教材，为深入理解书中LC-3 ISA的处理器微体系结构工作原理1.3 本文工作 本次设计从研究微处理器的工作原理入手，采用Verilog HDL硬件描述语言，结合ModelSim仿真工具，通过团队合作，完成了能够实现15条指令的带有自陷、中断和异常运行机制的LC-3多周期处理器的设计与仿真，本人独立完成多周期处理器的数据通路部分的设计，本文主要进行以下几方面工作： 查阅相关文献资料