硬连线控制器设计#内容清晰

1、模型机硬连接控制器设计一、实验目的(1)融通会贯穿计算机组成原理和架构课程各章的教育内容，通过知识的综合运用，加深对CPU模块工作原理和相互关系的认识(2)掌握硬连接控制器的设计方法(3)培养科研能力，获得设计和调整的实践经验。二、实验设备(1) 1台1) TEC-8实验系统(2)奔腾3以上的一台电脑(3) 1台双跟踪示波器(4)DC张直流测试仪(5)一支逻辑测试笔(TEC-8实验台)。三、设计和调试任务(1)将硬连接控制器和TEC-8型号计算机的数据路径组合以配置完整的CPU，并向该CPU请求：l可完成包括启动程序的执行、读取存储器、写入存储器、读取寄存器和写入寄存器的控制台操作。可以执行l

2、表3.1的指令，完成规定的指令功能。在表3.1中，XX代表任何值，Rs代表源寄存器号，Rs代表目的寄存器号。 在条件分支指令中，表示当前PC的值，offset表示4位带符号的数，第3位表示带符号的位，0表示正数，1表示负数。 注意：将当前命令的PC值加1，而不是当前命令的PC值。表错误！ 新设计了notextofspecifiedstyleindocument .1CPU的指令系统名字助记符功能指令形式IR7 IR6 IR5 IR4PS3PS 2PR PR PR加法添加rd，RsRd Rd Rs0001雷德PS减法辅rd，RsRd Rd - Rs0010雷德PS逻辑积与rd，RsRd Rd a

3、nd Rs0011雷德PS加一Inc PS PSRd Rd 10100雷德XX取数ldrdRd Rs0101雷德PS存款数ST Rs，RdRs Rd0110雷德PSc条件转移JC offset如果C=1，则PC offset0111offsetz条件迁移JZ offset如果Z=1，则PC offset1000offset无条件转移PR PR PR电脑rd1001雷德XX输出OUT RsDBUS Rs1010XXPS停机时间PS暂时停止驾驶1110XXXX用Quartus|编程硬连接控制器的编译。l将编译后的硬连接控制器下载到TEC-8实验台可编程设备EPM7128S上，并将EPM7128S变

4、成硬连接控制器。根据l指令系统制定测试硬连接控制器正确性的测试程序，用测试程序以单微指令方式调试硬连接控制器，直到成功为止。(2)在调试成功的基础上，整理设计文件。1 .硬连接控制器的逻辑模块图2 .硬连接控制器的指令周期流程图3 .硬件连接控制器的硬件描述语言源程序4 .测试程序5 .设计说明书6 .调试的总结。四、硬连接控制器逻辑模块图本实验要求设计硬件连接控制器，但是利用了实验台的数据路径和其他模块。 因此，只需对硬连接的控制器部分进行编程。 TEC-8模型计算机的电路框图如图1所示。图1 TEC-8型号计算机电路框图如电路框图所示，硬件控制器与微定序器不同，所产生的控制信号除了解码器输

5、出信号SWCSWA、IR7IR4、差拍电位信号T1T3、状态条件信号z、c、CLR#的控制之外，还包括定时发生器硬连接控制器的逻辑模块图如下所示图2是硬连接控制器的逻辑框图五、硬连接控制器指令周期流程图与微可编程控制器不同，硬件控制器以节拍电位W3W1为时间单位。 指令周期的流程图如下图3是硬连接控制器的参考流程图执行块表示节拍电位时间，TEC-8实验系统使用可变节拍数执行了机械指令。 从上图可以看出，大部分指令只有节拍电位W1和W2两个，少数指令需要W3。 在需要W3的时候在W2中产生信号LONG。 定时信号发生器在接收到信号LONG时产生W3。 也存在如写入寄存器那样需要4拍量的电位的操作

6、，将该操作设为2个机器指令的节拍，用信号ST0来连结。 只产生W1，可以用短信号来实现。根据硬件流程图，还可以获得复合逻辑解码表，如下表2所示表2组合逻辑解码表PS阿德超级联赛与INC公司液晶屏PS PSPSPSSTP日本铁路JZPSW1W1W1W1W1W1W1W1W1W1W1mW2W2W2/W3W2W2S3W2W2W2W2/W3W2W2S2W2W2W2S1W2W2W2/W3W2W2S0W2W2W2W2CINW2LDCW2W2W2LDZW2W2W2W2DRWW2W2W2W2W3ABUS公司W2W2W2W2W2W2/W3W2W2LAR公司W2W2PCADDc、W2z、W2电脑美联社W3PRW3龙

7、龙W2W2停止W2PCINCW1W1W1W1W1W1W1W1W1W1W1根据解密表，有助于今后的编程和错误检索。六、方案制定过程利用Verilog语言在Modelsim环境中进行编程和模拟。刚开始实验的时候心里很茫然，从哪里开始，动不了手，采用了什么样的方法，Verilog语言的学习还不熟练，所以第一次的实验课几乎没有进展。 之后，根据王教师和唐教师的耐心的说明和指导，发现可以用两种不同的实现方法来编程，但是个人觉得用状态机的方法来理解编程的想法很简单，逻辑很清楚，所以用状态机的方法来编程。 本程序是根据唐教师的程序修改的(唐教师还没有完成)，但在编程过程中遇到了很多问题，如时间序列问题。 在

8、同学和教师的帮助下，虽然完成了工作的一部分，但是程序还存在一些问题，结果实验还没有完全结束。把整个控制器分成四种状态。 state0表示初始状态，将所有信号初始化，表示clear以后的状态，仅STOP有效state1表示W1有效时的状态，具体来说，可以按SWCSWA进行不同的分配和操作state2表示W2有效时的状态，SW的差异通常在一个状态完成后进入下一个状态，但经常不能进行写存储器、读存储器、写寄存器等操作。 因此，需要通过判别ST0信号、短信号、长信号等，来进行不同状态间的迁移。 具体地说从state0，如果sw满足请求(5)，则进入state1，否则返回state0state1:执行程

9、序，如果ST0=0或者是读存储器或写存储器，则下一状态保持state1，否则，下一状态保持state2.STate2:如果执行命令的LD或ST，则下一个状态为state3；如果写入寄存器操作ST0=0，或者不是执行命令的LD或ST，则下一个状态为W1；如果两者都不相符，则下一个状态为初始状态state0state3:直接返回state 1源程序压缩包： CPU表示源程序，其馀的程序表示测试程序，程序名称表示测试的指令和表模式。七、Modelsim模拟过程如果程序的编译成功了，就开始制作模拟程序，进行模拟。 因为模拟程序的把握不充分，所以我们小组从一开始就有很多问题，不是时间序列问题，而是分配问

10、题。 感谢同学和教师的耐心指导和帮助。 由于篇幅关系，这里只揭示了控制台的操作和部分代表性命令的模拟过程，(ADD、AND、LD、JC、JMP、STP )其馀模拟代码都放在包装中，没有烙印在芯片上，也没有真正的实现(1)控制台模型的模拟过程1 .写内存过程模拟(SW为001 )写存储器所需的只有W1，模拟图如图4所示图4画出存储器过程的模拟图2 .读内存过程模拟(SW为010 )读取存储器的过程在时间上与写入存储器的过程类似，只要是W1就可以。 模拟图如图5所示阅读图5内存过程的模拟图3 .读取寄存器的过程模拟(SW为011 )寄存器的读取需要W1和W2。图6读寄存器的过程模拟图4 .写寄存器

11、过程模拟(SW为100 )写寄存器的过程分别需要W1、W2两个。 把ST0作为时间序列判定条件图7写寄存器的过程模拟图(2)指令执行过程模拟1. ADD指令执行过程模拟(SW为000，IR74为0001 )SUB和ADD很像。图8 ADD指令执行模拟图2. AND指令模拟流程(SW为000，IR74为0011 )PR和PS很像。图9 AND指令执行模拟图3. LD指令模拟过程(SW为000，IR74为0101 )PS类似PS。图10 LD指令执行模拟图4. JC指令模拟过程(SW为000，IR74为1000，在此情况下C=1)JZ和JC很像。图11 JC指令执行模拟图5.JMP指令模拟过程(S

12、W为000，IR74为1001 )图12 JMP指令执行模拟图6.STP指令模拟过程(SW为000，IR74为1110 )图13 STP命令执行模拟图八、测试程序在完成源程序的制作、模拟成功、烤成芯片后，测试程序将被用于模型计算机上的完整测试源程序。在测试程序的编制过程中，我们小组尽可能地利用所有的指令，让所有的指令都可以测试，实现了更好的测试性能和正确性，但由于芯片没有发烧，测试程序无法工作。地址指令十六进制机器代码二进制机器代码00H液晶屏53H0101001101HINC公司四通道0100110002H超级联赛21H0010000103HJZ 0CH八通道1000110004HPS PS

13、68H系列0110100005H液晶屏53H0101001106HINC公司4CH0100110007H系列阿德11H0001000108H日本铁路7CH0111110009H公司PS9CH100111000AHINC公司48H010010000BHSTP0E0H111000000CH08H08H000010000DH十五小时十五小时000101010EHFFH0fh111111110FH01H01H0000000110H与31H0011000111HPS0A2H1010001012HSTP0E0H11100000九、设计说明书1 .源程序的设计利用状态机的思想把整个控制器分为状态0、状态1、

14、状态2、状态3四种状态。 不同的状态表示以下状态：状态0表示初始状态，将所有信号初始化，表示clear以后的状态，仅STOP有效的状态1表示W1有效时的状态，具体地说，能够按每个SWCSWA以不同的模式分配和操作的状态2表示W2有效时的状态根据SW的不同而代入的state3表示W3有效时的状态，主要表示执行命令LD和ST时有可能进入的状态(除此以外的情况下不需要W3 )。 定义两个变量： state和next_state。 state表示当前状态，next_state表示以下状态：state在完成本状态内的所有操作后进入next_state，通常next_state为state加1，但是写存储器、读存储器、写寄存器等操作经常不能直接加。 因此，需要通过判别ST0信号、短信号、长信号等，来确定下一状态。 具体地说根据state0判断SW，如果SW满足请求(值5 )，则进入state1(next_state=state1)，否