面向教學(xué)的16位微處理器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、在計算機組成原理以及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等教學(xué)實驗中，微處理器是進(jìn)行實驗的必備工具，它提供了學(xué)生實驗的軟硬件平臺。近幾年隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的設(shè)計和實現(xiàn)一直是國內(nèi)外研究的熱點。目前國外高校的計算機及電子相關(guān)課程都已經(jīng)把微處理器的設(shè)計作為一項重要內(nèi)容，實驗的靈活性以及留給學(xué)生的創(chuàng)作空間也很大。國內(nèi)傳統(tǒng)的計算機組成原理實驗是在微處理器結(jié)構(gòu)等都相對固定的情況下進(jìn)行的，學(xué)生主要進(jìn)行功能驗證，缺少自主設(shè)計和創(chuàng)新過程。為改變國內(nèi)微處理器

2、實驗教學(xué)現(xiàn)狀，必須改進(jìn)現(xiàn)有的微處理器教學(xué)方法，設(shè)計一種靈活性可靠性和可擴展性兼具的微處理器實驗，充分發(fā)揮實驗作用。鑒于此，本論文進(jìn)行了實驗微處理器的設(shè)計研究。本微處理器采用Verilog硬件描述語言設(shè)計了該微處理器，在Xilinx SpartanⅡ系列XC2S150 FPGA上實現(xiàn)，并且在實驗設(shè)備上驗證了所有的指令功能。
　　 論文部分首先介紹了國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，微處理器實驗設(shè)計的意義以及本微處理器的開發(fā)環(huán)境與開發(fā)語言。對于微處理

3、器設(shè)計而言，指令系統(tǒng)的設(shè)計以及微處理器可以實現(xiàn)的操作類型，是設(shè)計微處理器首要考慮的問題，文章隨后介紹了指令集的構(gòu)建、實現(xiàn)的指令功能和多種尋址方式的實現(xiàn)，將微處理器可實現(xiàn)的算術(shù)邏輯運算、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明；寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對尋址、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，控制器運算器部分的實現(xiàn)過程，這部分也是文章的重點介紹的部

4、分，對運算器和控制器的設(shè)計，應(yīng)該考慮速度和資源兩方面。文章介紹了運算器設(shè)計過程中對提高速度，減少占用資源方面的考慮所進(jìn)行的設(shè)計；控制器部分涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)方法、控制存儲器的分配設(shè)計、各種指令如何用微程序?qū)崿F(xiàn)等。文章最后通過兩個應(yīng)用程序，說明微處理器的工作過程。
　　 本微處理器具有很好的通用性和靈活性，可根據(jù)不同的實驗要求下載微處理器的不同部分，進(jìn)行部件或整機實驗。對于難度要求不高的實驗者，可以先對指令系統(tǒng)，指令格式，尋址方