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研究生: 蘇子暢
Zi-Chang Su
論文名稱: ARM Cortex-M3指令集架構相容IP設計與實現
Design and Implementation of an IP Compatible with the ARM Cortex-M3 ISA
指導教授: 林銘波
Ming-Bo Lin
口試委員: 林昌鴻
Chang-Hong Lin
陳郁堂
Yie-Tarng Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 58
中文關鍵詞: ARMCortex-M3微處理器矽智財
外文關鍵詞: ARM, Cortex-M3, processor, intellectual property core
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  • 近年來嵌入式系統應用蓬勃發展,使嵌入式微處理器的需求上升。ARM微處理器架構具有低成本、高效能、低耗電等特性,是目前應用最廣泛的32位元微處理器。Cortex-M3微處理器是ARM公司推出之針對嵌入式系統需求所開發的,其僅支援較新的Thumb指令集與Thumb-2指令集,具有3級管線並使用哈佛架構,能夠增加指令密度並減少指令記憶體容量需求,使其在保持低成本、低功耗的前提下具有更好的效能。
    本論文以Xilinx公司所推出的Virtex-5 XC5VLX110T FPGA為基礎,實現了一個相容於ARM Cortex-M3指令集架構的微處理器核心,共使用4917個LUT、與698個暫存器,最高操作頻率為30.5MHz。


    With the prosperity of embedded system applications such as information appliances and internet of things, the needs of microprocessors for embedded system grow rapidly. The largest supplier of microprocessors for embedded system in the world is ARM. The ARM microprocessors, compare with other microprocessors, have the advantages of high efficiency and low power consumption. The ARM Cortex-M3 microprocessor which is designed for embedded system especially, has a 3-stage pipeline with the Harvard architecture. The Cortex-M3 microprocessor supports only thumb and thumb-2 instruction sets instead of the ARM instruction set, and hence increases the instruction density as well as reduces the requirement of instruction memory.
    In this thesis, we implement an IP compatible with the ARM Cortex-M3 ISA with the Xilinx Virtex-5 XC5VLX110T FPGA. Our design consumes 4917 LUTs and 698 registers, and operates at the maximum frequency of 30.5MHz.

    第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 章節編排 2 第二章 Cortex-M3微處理器背景介紹 3 2.1 ARM微處理器發展現況 3 2.2 Cortex-M3微處理器簡介 4 2.3 Thumb指令集與Thumb-2指令集簡介 5 2.4 Cortex-M3微處理器程式模型 6 2.4.1 Cortex-M3微處理器的核心暫存器 6 2.4.2 Cortex-M3微處理器的運作模式 8 2.4.3 Cortex-M3微處理器定址與資料型態 10 第三章 相容於Cortex-M3指令集架構的微處理器系統架構 11 3.1 介面設計 11 3.2 指令集架構 14 3.3資料路徑 19 3.4時序說明 22 第四章 相容於Cortex-M3的微處理器主要模組設計 23 4.1 指令選擇器 23 4.2 指令控制器 25 4.3 暫存器檔案 27 4.4移位器 30 4.5 算術邏輯單元 34 4.6 程式狀態暫存器 36 第五章 相容於Cortex-M3 ISA的微處理器設計與驗證 39 5.1 FPGA架構與設計流程 39 5.2 FPGA功能驗證結果 42 5.3 FPGA合成結果 44 第六章 結論 45 參考文獻 46

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