70基于LC-3 ISA处理器的设计与仿真

题目：基于LC-3ISA处理器的设计与仿真I目录第一章绪论.........................................................................11.1集成电路与微处理器..........................................................11.2课题背景....................................................................11.3本文工作....................................................................2第二章设计流程和语言工具............................................................32.1设计流程....................................................................32.2开发语言....................................................................52.3设计工具....................................................................62.3.1QuartusII开发环境....................................................62.3.2ModelSim仿真工具.....................................................8第三章LC-3指令系统结构............................................................103.1存储器结构.................................................................103.2寄存器组...................................................................113.3指令集.....................................................................123.3.1操作码..............................................................123.3.2数据类型.............................................................133.3.3寻址方式.............................................................133.4自陷、异常和中断...........................................................173.4.1自陷.................................................................173.4.2中断和异常处理......................................................18第四章数据通路设计与实现...........................................................214.1LC-3多周期处理器结构模块...................................................214.2数据通路分析...............................................................224.3功能模块的分析与设计.......................................................234.3.1寄存器的分析与设计...................................................23II4.3.2ALU的分析与设计.....................................................244.3.3多路选择器的分析与设计...............................................254.3.4分支判断的实现......................................................264.3.5加法器等其他功能模块部件............................................264.4自陷、中断和异常的实现.....................................................274.4.1当前栈指针产生器....................................................274.4.2PSR系统.............................................................284.4.3向量控制器..........................................................294.5数据通路总体实现...........................................................30第五章综合验证与性能分析...........................................................325.1综合.......................................................................325.2验证.......................................................................355.2.1自陷服务与存储器映射I/O的仿真测试...................................365.2.2特殊指令以及两种异常仿真测试........................................375.2.3程序测试............................................................395.3性能分析...................................................................41结束语.............................................................................44致谢................................................................错误!未定义书签。参考文献...........................................................................45附录I英文翻译....................................................................46第一部分英文原文.............................................................46第二部分中文译文.............................................................59附录II程序代码....................................................................70附录III............................................................................811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IBM360，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，YalePatt教授在密歇根大学提出对传统教学思路的改革。1995年秋季，YalePatt和KevinCompton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，YalePatt教授正式发行了第一本内容取自EECS100课程的教科书——IntroductiontoComputingSystems:frombitsandgatestoCandbeyond[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YalePatt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VonNeumann存储程序型计算机，具有比较完备的指令系统结构2（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-3ISA的处理器微体系结构、工作原理、中断自陷等相关异常处理机制，决定采用VerilogHDL硬件描述语言设计教材中LC-3的CPU，实现完整LC-3ISA处理器的逻辑设计，完成处理器的前端设计。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VerilogHDL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：1.查阅相关文献资料，学习VerilogHDL硬件描述语言，熟悉使用ModelSim仿真工具，QuartusII综合工具；2.深入分析LC-3指令系统结构，掌握每条指令的功能及具体运行的过程；3.分析指令执行周期，深入理解自陷、中断和异常的运行机制，构建功能模块；4.研究多周期处理器的基本工作原理，完成能够实现15条指令的带有中断和异常处理机制的多周期处理器的数