面向教學(xué)的16位微處理器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在計(jì)算機(jī)組成原理以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，微處理器是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的必備工具，它提供了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的軟硬件平臺(tái)。近幾年隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)外高校的計(jì)算機(jī)及電子相關(guān)課程都已經(jīng)把微處理器的設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)的靈活性以及留給學(xué)生的創(chuàng)作空間也很大。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是在微處理器結(jié)構(gòu)等都相對(duì)固定的情況下進(jìn)行的，學(xué)生主要進(jìn)行功能驗(yàn)證，缺少自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新過(guò)程。為改變國(guó)內(nèi)微處理器

2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，必須改進(jìn)現(xiàn)有的微處理器教學(xué)方法，設(shè)計(jì)一種靈活性可靠性和可擴(kuò)展性兼具的微處理器實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)作用。鑒于此，本論文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)微處理器的設(shè)計(jì)研究。本微處理器采用Verilog硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了該微處理器，在Xilinx SpartanⅡ系列XC2S150 FPGA上實(shí)現(xiàn)，并且在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上驗(yàn)證了所有的指令功能。
　　 論文部分首先介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，微處理器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義以及本微處理器的開(kāi)發(fā)環(huán)境與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。對(duì)于微處理

3、器設(shè)計(jì)而言，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及微處理器可以實(shí)現(xiàn)的操作類(lèi)型，是設(shè)計(jì)微處理器首要考慮的問(wèn)題，文章隨后介紹了指令集的構(gòu)建、實(shí)現(xiàn)的指令功能和多種尋址方式的實(shí)現(xiàn)，將微處理器可實(shí)現(xiàn)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、移位轉(zhuǎn)移、出棧入棧、子程序調(diào)用、自增自減等操作一一說(shuō)明；寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對(duì)尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址等7種常用尋址方式的實(shí)現(xiàn)也有具體闡述。之后給出了微處理器的數(shù)據(jù)通路，控制器運(yùn)算器部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，這部分也是文章的重點(diǎn)介紹的部

4、分，對(duì)運(yùn)算器和控制器的設(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮速度和資源兩方面。文章介紹了運(yùn)算器設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)提高速度，減少占用資源方面的考慮所進(jìn)行的設(shè)計(jì)；控制器部分涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)方法、控制存儲(chǔ)器的分配設(shè)計(jì)、各種指令如何用微程序?qū)崿F(xiàn)等。文章最后通過(guò)兩個(gè)應(yīng)用程序，說(shuō)明微處理器的工作過(guò)程。
　　 本微處理器具有很好的通用性和靈活性，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求下載微處理器的不同部分，進(jìn)行部件或整機(jī)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于難度要求不高的實(shí)驗(yàn)者，可以先對(duì)指令系統(tǒng)，指令格式，尋址方