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硬布线控制器.doc

上传人:rav7596 文档编号:8161457 上传时间:2019-06-11 格式:DOC 页数:16 大小:455.50KB
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资源描述

1、常规型硬布线控制器的设计与调试C1微操作控制信号结果反馈信息CnSKIPTJ硬布线控制器(组合逻辑网络)ispLSI1032E-70LJ84指令译码模块节拍电位 /节拍脉冲发生器指令寄存器W1 W4 T1 T1启动停止时钟复位B1Bn硬布线控制器结构方框图科 目:计算机组成原理指导教师:实 验 人:实验时间:实验背景硬布线控制器是早期设计计算机的一种方法。这种方法是把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路,二次逻辑电路以示用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。一旦控制部件构成后,除非重新设计和物理上对它重新布线,否则要想增加新的控2制功能是不可能的。硬布线控制器是计算机中最复杂的逻

2、辑部件之一,由于其结构上的缺陷使得对它进行设计和调试非常复杂且代价很大。正因为如此,硬布线控制器被微程序控制器所取代。但是随着新一代机器及 VLSI 技术的发展,硬布线逻辑设计思想又得到了重视。 设计要求针对 TEC-4 实验台利用 ispLSI1032 芯片设计一个硬布线控制器,本控制器可以执行五条控制台指令:PR,KRD,KWE,KLD,KRR 以及九条机器指令:ADD,SUB,MUL,AND,STA,LDA,JMP,JC,STP。实验目的融会贯通计算机组成原理课程和计算机系统结构课程的内容,通过知识的综合运用,加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识,特别是对硬联线控制器的认识。

3、学习运用 ISP 技术进行设计和调试的基本步骤和方法,熟悉集成开发软件中设计,模拟调试工具的使用,体会 ISP 技术相对于传统开发技术的优点。培养科学研究的独立工作能力,取得工程设计与组装调试的实践经验。实验设备 TEC-4 计算机组成原理实验系统一台 双踪示波器一台 逻辑测试笔一只 ispLSI1032 芯片一个 Lattice 公司的 IspExpert 软件 实验准备 时序信号发生器:由晶体振荡器产生 MF 信号(频率 1MHz) ,同时产生 T1,T2,T3,T4,W1,W2,W3,W4 时序信号,关系如下图。其中 W1,W2,W3,W4 用于硬布线控制器的节拍信号3 实验台上自选器件

4、实验区提供有 IspLSI1032 芯片及下载插座,可以从 PC 机上编程下载 DB,DP,DZ:DP1 时,计算机处于单拍工作方式,按一次 QD 发送一组时序信号T1,T2,T3,T4;DB1 时,计算机处于单步方式,按一次 QD 发送一组 W1,W2,W3,W4 时序脉冲,同时如果执行过程当中遇到 TJ 指令,将停在当前节拍脉冲的 T4 时刻。 SKIP 信号:当 SKIP1 时,信号由当前节拍直接跳到 W4 节拍 微操作控制信号总结如下:控制信号 信号作用 信号有效条件C 在加法运算和减法运算时产生的进位信号 T4 上升沿ALU_BUS 允许运算结果送往数据总线 1M1=0 时 DR1

5、接收寄存器堆 A 端口数据LDDR1M1=1 时 DR1 接收数据总线 DBUS 数据 T3 下降沿M2=0 时 DR2 接收寄存器堆 B 端口数据LDDR2M2=1 时 DR2 接收数据总线 DBUS 数据 T3 下降沿WRD 控制双端口寄存器堆 RF 的写操作 1 且 T2 上升沿RS_BUS# 控制 RF 的 B 端口数据是否能送 DBUS 上 0LDER 将 DBUS 上的数据打入暂存寄存器 ER 1 且 T4 上升沿SW_BUS# 将 SW7-SW0 数据送往 DBUS 0CEL# 选中双端口存储器 RAM 左端口 0允许 RAM 左端口读操作 1 且 T3 上升沿LRW允许 RAM

6、 左端口写操作 0 且 T3 上升沿RAM 右端口读出数据并放到指令总线 INS 上 1CER禁止右端口操作 0LDAR1 将 DBUS 数据打入地址寄存器 AR1 1 且 T4 上升沿AR1_INC AR1 的值加 1 1 且 T4 上升沿M3=0 时 AR2 的数据从程序计数器 PC 打入LDAR2M3=1 时 AR2 的数据从 DBUS 打入 1 且 T2 下降沿M4=1 时 R4 的数据从 DBUS 打入LDR4M4=0 时 R4 的数据从 IR0-IR3 打入 1 且 T2 下降沿PC_ADD ALU2 完成 PC 和 IR 低 4 位相加即 PC+D 1PC_INC PC+1 1L

7、DPC 程序计数器 PC 接收来自 DBUS 的地址 1 且 T4 上升沿LDIR 将来自 RAM 的指令打入指令寄存器 IR 1 且 T4 上升沿S2,S1,S0 选择运算器 ALU 的运算类型 1数据通路图:4设计说明书设计说明书设计说明书设计步骤 分别画出控制台指令及机器指令流程图。 根据流程图作出微操作控制信号的译码与时序分布表,然后用逻辑表达式表示出每个信号。 由逻辑表达式写出 ABEL 语言源代码。 对程序进行编译,下载到芯片。 连线,调试。 测试。 具体设计思路 根据要求,列出所需的控制台指令和机器指令指令格式控制台指令名称 指令功能 SWC SWB SWA5KRR 读寄存器堆方

8、式 1 0 0KRD 读双端口存储器方式 0 0 1KWE 写双端口存储器方式 0 1 0KLD 加载寄存器堆方式 0 1 1PR 启动程序方式 0 0 0指令格式机器指令名称 助记符 指令功能 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0加 法 ADD Rd,Rs Rd+Rs-Rd 0 0 0 0 RS1 RS0 RD1 RD0减 法 SUB Rd,Rs Rd-Rs-Rd 0 0 0 1 RS1 RS0 RD1 RD0乘 法 MUL Rd,Rs Rd*Rs-Rd 0 0 1 0 RS1 RS0 RD1 RD0逻辑与 AND Rd,Rs RdIR7, IR6, IR5, IR4 PIN 69

9、;MF,T1, W1,W2,W3,W4, C,CLR PIN 1017;“OUTPUTALU_BUS, AR1_INC, CEL, CER, LDAR1, LDAR2, LDDR1, LDDR2, LDER, LDIR, LDPC, LDR4,LRW PIN 2941;PC_INC,PC_ADD,RS_BUS,SW_BUS, WRD, SKIP, TJ, M1,M2,M3,M4,S0,S1,S2 PIN 6376;“TEMPMF1,SSTO NODE ISTYPE COM;RUN,ST NODE ISTYPE REG;tKRR,tKRD,tKWE,tKLD,tPR NODE ISTYPE CO

10、M;KRR1,KRD1,KWE1,KLD1,PR1,KRR2,KRD2,KWE2,KLD2,PR2 NODE ISTYPE COM;ADD,SUB,MUL,AND,LDA,STA,JMP,JC,STP NODE ISTYPE COM;CLK=.C.;EQUATIONSMF1=!CLRRUN:=CLR;RUN.CLK=MF1;ST:=CLRST.CLK=MF1;SSTO=!ST“指令译码部分tKRR=SWCtKRD=!SWCtKWE=!SWCtKLD=!SWCtPR=!SWCKRR1=!STKRR2=STKRD1=!STKRD2=STKWE1=!STKWE2=STKLD1=!STKLD2=STP

11、R1=!STPR2=STADD=PR211SUB=PR2MUL=PR2AND=PR2LDA=PR2STA=PR2JMP=PR2JC=PR2STP=PR2“输出管脚ALU_BUS=(ADD#SUB#MUL#AND)AR1_INC=(KRD2#KWE2)CEL=!(KRD2#KWE2#KLD2#KRR2)CER=(KLD2#KRR2)LDAR1=W4LDAR2=W4LDDR1=W2LDDR2=LDDR1#(W2LDER=W3LDIR=CER;LDPC=W4LDR4=LDPC;LRW=W1M1=!LDDR1;M2=!LDDR2;M3=W4M4=W4PC_INC=W1PC_ADD=W4RS_BUS=!

12、(W2SW_BUS=!(W1S0=SUB#STA;S1=ADD#SUB;S2=MUL;SKIP=W1TJ=W1WRD=W4END 对程序进行编译,无误后下载到芯片12 连线,调试,验收连线表格如下:SWC 3 LDDR1 35SWB 4 LDDR2 36SWA 5 LDER 37IR7 6 LDIR 38IR6 7 LDPC 39IR5 8 LDR4 40IR4 9 LRW 41MF 10 PC_INC 63T1 11 PC_ADD 64W1 12 RS_BUS 65W2 13 SW_BUS 66W3 14 WRD 67W4 15 SKIP 68C 16 TJ 69CLR 17InputPUL

13、LUPM1 70ALU_BUS 29 M2 71AR1_INC 30 M3 72CEL 31 M4 73CER 32 S0 74LDAR1 33 S1 75LDAR2 34OutputPULLUPS2 76OutputPULLUP验收程序:地址 指令 机器代码00H LDA R0 R2 58H01H LDA R1 R3 5DH02H ADD R0 R1 04H03H JC +5 95H04H AND R1 R0 31H05H SUB R0 R3 1CH06H STA R0 R1 44H07H MUL R0 R1 24H08H STP 60H09H JMP R1 84H初始化:13寄存器 存入内

14、容R2 60HR3 61H内存单元 存入内容60H 24H61H 83H计算结果:内存单元 内容60H 46H61H 83HR0 12H 设计中遇到的问题 关于时钟源工作过程的分析:时钟源产生基本的时序控制信号。在设计的过程中,我们发现在同一个节拍下每个信号的起作用的 T 时刻是不同的,如 KWE2 的 W1 节拍下,CEL#0,LRW=0,在 T3 的上升沿将 DBUS 上的数据写入 RAM 中,可是同时 SKIP 信号也是有效的,于是我们在想:会不会因为 SKIP 信号在 T1 时就有效导致信号直接由当前脉冲的 T1 跳到 W4,这样DBUS 上的数据还未来得及写入 RAM 就已经无效了,

15、与此类似的还有 TJ 信号。所以在一开始设计的时候我们将 SKIP 信号和 TJ 信号统统控制在 T4 时刻才出现,可是这样做使得控制信号的逻辑显得有些乱。经过查找资料并分析了时序发生器的 ABEL 语言源文件得知当 SKIP 信号有效时,发生器仍然发送完当前节拍的所有信号才跳到 W4节拍;当 TJ 信号有效时,发生器仍然发送完当前节拍的所有信号,最后停在当前节拍的 T4 时刻。 标志信号 RUN 的分析及测试由控制台指令流程图可知一条控制台指令被分割成了两部分,一部分可以看作是指令执行的初始化(如选定中转地址,指定初始地址等) ,另一部分看作是指令的执行阶段(可以循环执行) 。每条指令执行时

16、第一部分只执行一遍,第二部分是循环执行的,所以要保证 ST 信号第一遍执行时为 0,之后保持为 1。该部分实现图如下所示:14代码说明:当按一下 CLR 时将使得 RUN 和 ST 都变为零,且时序停留在 W4,T4 时刻,由于RUN0,所以虽然在 W4 时刻,但是 SSTO 信号仍然为零,是无效的启动程序后,在第一的 T1 的上升沿 RUN 变为 1,于是当 W41 时 SSTO1,那么触发器 ST 的输入也变为 1,在下一个 T1 的上升沿,ST 将变为 0,控制信号就由流程图的左半部跳至右半部。 实验心得这是我们第一次做课程设计,学校给我们提供了实验环境,一流的实验设施,还配备了尽责热心

17、的老师,我们有十分充足的时间来学习和设计。开放性的实验环境也为我们发挥自己的创造力提供了充分的条件。在这里我们不仅学到了许多在课堂上学不到的东西,而且锻炼了我们的动手和实践能力。首先,这次课程设计是对计算机组成原理课程的加深和延续,很多内容虽然课本上没有详细讲解,但是很多东西是融会贯通的。如果没有对微程序控制器的工作方式和原理的理解,哪能设计出硬布线控制器的控制逻辑。所以这次实验,我们对计算机的工作原理有了更进一步的了解,尤其是指令系统的工作原理,各个部件的工作之间的协调和配合等。同时,这次课程设计大大锻炼了我们的动手能力,由于是手工接线,任何一条线出现CLRRUN:=CLR;RUN.CLK=

18、MF1;ST:=CLRST.CLK=MF1;SSTO=!STRUN STCLR!CLR&MF#T1&CLR15问题都会影响到整个系统的执行,所以当问题变得莫名其妙毫无头绪之时,保持清醒的头脑,冷静的分析变得尤为重要。不仅如此,设计过程中团队的合作精神也得到了锻炼,一个大的项目不是一个人能够独立承担的,需要大家的通力合作。葛立峰0112109 班 10 号表面上看,本次实验仅仅是要我们设计一个具有 5 条控制台指令 9 条机器指令的硬布线控制器,实际上却需要我们综合运用以往所学的很多关于计算机硬件的知识。就本实验所考察的知识重点,我总结了一下,大致如下: 触发器的原理及应用 ABEL 语言的应用

19、及 ispEXPERT 的使用 指令周期的概念 时序产生器的原理和控制方式 TEC-4 实验台的原理和操作本次实验不仅仅需要我们动脑,更重要的是要求我们动手。由列出微操作信号到指令流程图再到 ABEL 语言的源代码的实现,其间过程并不很难,复杂的是连线与调试,需要极大的耐心和细心,当众不仅要对 TEC-4 实验台的操作相当熟悉,而且要对指令周期与时序的关系以及数据通路理解得很透彻才行。所以,这次实验让我对组成原理课程有了全新的认识和整体的把握,它是对课堂的一个补充和提高,使以往所学的知识在我们的大脑中产生了理解的飞跃。 (真希望组成原理的期末考试放在本次实验之后:))实验中需要将所编程序下载到芯片中,这就使我们对现今硬件设计软件化的主流方向有了实践层次的理解,并让我们掌握了一些简单的设计实现方法。同时,同学间组成小组共同工作,不仅增加了大家交流互助的机会,更是培养了我们的协作精神,让我们深刻体会到了协作在质量和效率上的优势。16总之,本次实验是一次难得的学习与发挥的机会,在实验及文档制作阶段我都体会到了思考与创造的巨大乐趣。李 晶0112109 班 25 号

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