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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:施舜鈜
研究生(外文):Shun-Hung Shih
論文名稱:以 FPGA 實現教學用途的 LC-3 計算機微架構
論文名稱(外文):FPGA Implementation of the Little Computer 3 Microarchitecture for Education
指導教授:林柏江
指導教授(外文):Po-Chiang Lin
口試委員:賴文彬賴裕昆
口試委員(外文):Wen-Ping LaYu-Kuen Lai
口試日期:2017-07-10
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:通訊工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:40
中文關鍵詞:LC-3FPGA組合語言微處理器設計硬體描述語言
外文關鍵詞:LC-3FPGAassembly languagemicroprocessor designhardware description language
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  組合語言是最貼近計算機底層硬體運作的程式語言。學習組合語言可幫助軟體設計人員掌握電腦硬體的特色以及限制,開發出更具效率的程式。而Little Computer 3 (LC-3)正是使用此種語言的基礎計算機核心。LC-3擁有硬體架構簡單,指令數目較少的優點,適合學生在一開始掌握計算機基本的架構。LC-3是由德州大學Yale N. Patt和伊利諾大學Sanjay J. Patel兩位學者所提出的計算機處理器,他們在Introduction to computing system一書中講解LC-3的硬體架構,此書也因此常被使用在計算機基礎課程中。

在這篇論文中,將參考Introduction to computing systems一書中的介紹、LC-3的架構圖及模擬器嘗試自製一個LC-3。以實作深入了解LC-3的運作方式,體會理論與實際上細微的差別。本文的方法是將LC-3核心建構在 Altera FPGA DE1 開發平台上,利用FPGA可反覆修改的特性來製作LC-3架構,並整合DE1開發平台上的周邊I/O,發展LC-3組合語言的各種運用。藉由FPGA實作學習硬體描述語言,並用製成的LC-3配合這些I/O學習LC-3組合語言,提升語言學習效率與實務能力。
  Assembly language is the programming language closest to the underlying hardware operation. Learning assembly language ​​can help software designers master to grasp the characteristic and limitation of computer in order to develop more efficient programs. And Little Computer 3 (LC-3) is the base computer core in this language. LC-3 has the advantages of simple hardware architecture and the fewer instructions, suitable for students in the beginning to master the basic computer purchase. The LC-3 is a computer processor which was developed by Yale N. Patt at the University of Texas at Austin and Sanjay J. Patel at the University of Illinois at Urbana–Champaign. They explain the LC-3 hardware architecture in Introduction to computing systems, and this book is often used in computer basic courses.

In this thesis, I refer to Introduction to computing systems, LC-3 architecture and simulator to implement LC-3. Using the way of the actual production to learn about how LC-3 works, experience the theory and the actual subtle differences. My approach is to build the LC-3 core on the Altera FPGA DE1 development platform, using the characteristics that FPGA can be modified to manufacture the LC-3 architecture, and integrate DE1 development platform on the surrounding I/O, growing the various uses of LC-3 assembly language. With the FPGA implementation of learning hardware description language, and made with the LC-3 with these I/O learning LC-3 assembly language, improve language learning efficiency and practical ability.
一、緒論
1.1 研究背景
1.2 研究動機及目的
1.3 論文架構
二、相關文獻探討
三、開發平台與LC-3實現方式
3.1 FPGA介紹
3.2 DE1硬體平台介紹
3.3 開發環境
3.3.1 Quartus II介紹
3.3.2 LC-3 source code editor 和LC-3 Simulator
3.4 LC-3(Little Computer 3)
四、實現過程與結果
4.1 各單元製作與規格4.1.1 控制單元
4.1.2 記憶體單元
4.1.3 暫存器單元
4.1.4 程序計數器單元
4.1.5 算術邏輯單元
4.1.6 指令暫存器單元
4.1.7 分歧指令單元
4.1.8 位址多工器單元
4.1.9 匯流排單元
4.2 LC-3組合
4.3 輸出入裝置
4.3.1 鍵盤(Keyboard)
4.3.2 LCD模組
4.4 LC-3整合外部元件
4.5 實驗結果
五、結論
[1] Patt, Yale, and Sanjay Patel. Introduction to computing systems.
McGraw-Hill, New York, 2003.
[2] Skelton, G. W. (2005, March). Introducing software engineering to
computer engineering students. In SoutheastCon, 2006. Proceedings of the
IEEE (pp. 313-318). IEEE.
[3] Loo, S. M., & Planting, C. A. (2009). Use of discrete and soft processors in
introductory microprocessors and embedded systems curriculum. ACM
SIGBED Review, 6(1), 5.
[4] Malhotra, S., Borer, T. P., Singh, D. P., & Brown, S. D. (2004, December).
The quartus university interface program: enabling advanced fpga research.
In Field-Programmable Technology, 2004. Proceedings. 2004 IEEE
International Conference on (pp. 225-230). IEEE.
[5] 廖原樟,在FPGA上移植LC-3軟核之應用,碩士論文,雲林科技大學電子
與光電工程研究所,雲林,2013。
[6] Dorta, T., Jim´enez, J., Mart´ın, J. L., Bidarte, U., & Astarloa, A. (2009,
December). Overview of FPGA-based multiprocessor systems. In
Reconfigurable Computing and FPGAs, 2009. ReConFig’09. International
Conference on (pp. 273-278). IEEE.
[7] Huerta, Pablo, et al. ”Symmetric multiprocessor systems on FPGA.”
Reconfigurable Computing and FPGAs, 2009. ReConFig’09. International
Conference on. IEEE, 2009.
[8] 雷思磊,自己動手寫CPU,碁峰資訊股份有限公司,台北,2015
[9] Ak¸cay, L., T¨ukel, M., & ¨ Ors, S. B. (2016, May). Implementation of an
OpenRISC based SoC and Linux Kernel installation on FPGA. In Signal
Processing and Communication Application Conference (SIU), 2016 24th
(pp. 1969-1972). IEEE.
[10] eewiki, https://eewiki.net/dashboard.action
[11] 胡振華,VHDL與FPGA設計,全華圖書股份有限公司,台北,2008。
[12] 宋嘉,FPGA/CPLD可程式化邏輯設計實習,第二版,全華圖書股份有限
公司,台北,2014。
[13] Jien-Chung Lo, ”Modern digital designs with EDA, VHDL and FPGA”,
Terasic Inc., Hsinchu, 2015.
[14] LC-3 simulator,
http://highered.mheducation.com/sites/0072467509/student view0/lc-
3 simulator.html
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