計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)

玄藺大，%

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告組長：張冠群（09003105）成員：楊俊（09003209）孫嘯寅（09003112）萬乾坤（09003218）李傳佑（09003214）劉森（09003110）黃河（09003206）東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院

二OO六年九月

設(shè)計(jì)名稱基于MIPS32的SOC設(shè)計(jì)完成時(shí)間2006.9驗(yàn)收時(shí)間本組成員情況姓名學(xué)號承擔(dān)的任務(wù)成績張冠群09003105mips32CPU、CTC、PWM、WDT、BIOS、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、最終測試劉森09003110LED、LCD孫嘯寅09003112mips32CPU、I/O模塊黃河09003206UART楊俊09003209mips32CPU、INT32、SOC模塊李傳佑09003214KEY，部分BIOS萬乾坤09003218MiniCCompilers注：本設(shè)計(jì)報(bào)告中各個(gè)部分如果頁數(shù)不夠，請大家自行擴(kuò)頁，原則是一定要把報(bào)告寫詳細(xì)，能說明本組設(shè)計(jì)的成果和特色，能夠反應(yīng)小組中每個(gè)人的工作。報(bào)告中應(yīng)該敘述設(shè)計(jì)中的每個(gè)模塊。設(shè)計(jì)報(bào)告將是評定每個(gè)人成績的一個(gè)重要組成部分。本組設(shè)計(jì)的功能描述（含所有實(shí)現(xiàn)的模塊的功能）SOC模塊串聯(lián)CPU和外圍接口模塊，實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)的功能。MEMorlO模塊該模塊功能作用是給cpu添加io接口，當(dāng)讀寫mem時(shí)給RAM輸出存儲(chǔ)器讀寫信號，當(dāng)讀寫io時(shí)給外設(shè)輸出io讀寫信號，提供數(shù)據(jù)線和地址線與外設(shè)連接.UART模塊簡單的串行通信模塊。負(fù)責(zé)控制將CPU來的8位數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)串，然后按照異步串行通信數(shù)據(jù)格式輸出，將串口來的8位串行數(shù)據(jù)串轉(zhuǎn)并，并在CPU請求的時(shí)候輸入給CPU。LED模塊通過向該控制電路寫32位數(shù)據(jù)，經(jīng)過譯碼控制共陽極的7段LED顯示。32位數(shù)每半個(gè)字節(jié)控制一位7段LED，從高位到地位排列。每個(gè)LED燈顯示十六進(jìn)制數(shù)，從0到F。LED0模塊LED的附屬模塊，一個(gè)LED燈的輸出顯示。KEY模塊自動(dòng)掃描4x4的鍵盤，當(dāng)有鍵盤按下的時(shí)候掃描鍵值，將鍵值記錄到鍵值寄存器，然后向CPU發(fā)出中斷。CPU響應(yīng)中斷，當(dāng)CPU讀出鍵值后，撤銷中斷請求。CTC模塊定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊。兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器CNT0和CNT1。具有計(jì)數(shù)和定時(shí)兩個(gè)功能。計(jì)數(shù)方式下可以對輸入的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到初值寄存器的值的時(shí)候，設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位。定時(shí)方式下，在時(shí)鐘作用下計(jì)時(shí)器做減1，到0的時(shí)候設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位，并在相應(yīng)的COUT腳輸出一個(gè)時(shí)鐘的低電平（平時(shí)COUT是高電平）。狀態(tài)寄存器在被讀取后被清零。PWM模塊脈沖寬度調(diào)制模塊?？梢哉{(diào)節(jié)脈沖的頻率和占空比（本模塊不支持）。一個(gè)12位PWM內(nèi)部一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)對比值，計(jì)數(shù)器周而復(fù)始的加1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到0FFFH的時(shí)候轉(zhuǎn)為0再計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值大于對比值，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。WDT模塊看門狗模塊。內(nèi)含一個(gè)16位定時(shí)器，系統(tǒng)復(fù)位后計(jì)數(shù)值為FFFFH，之后每時(shí)鐘計(jì)數(shù)值減1，當(dāng)減到0的時(shí)候，向CPU發(fā)4個(gè)時(shí)鐘周期的RESET信號，同時(shí)計(jì)數(shù)值恢復(fù)到FFFFH并繼續(xù)計(jì)數(shù)。通過軟件不斷地定期寫看門狗端口來復(fù)位看門狗，使計(jì)數(shù)器重新從FFFFH開始計(jì)數(shù)。增加看門狗電路后，CPU的RESET輸入腳是系統(tǒng)復(fù)位信號和看門狗發(fā)出的復(fù)位信號的組合。mips32模塊mips32CPU頂層模塊。負(fù)責(zé)串聯(lián)起CPU內(nèi)各個(gè)控制、取指、執(zhí)行、中斷等模塊。完成基于mips指令集的32位CPU功能。具有32位指令，16位地址線和32位數(shù)據(jù)線。CountClock模塊用于串行通信UART的頂層模塊。control32模塊控制單元模塊。根據(jù)指令中的指令碼（op）和功能碼（funct）的不同組合輸出相應(yīng)的控制信號。dmemory32模塊存儲(chǔ)單元模塊。實(shí)際完成對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）的讀寫操作。executs32模塊執(zhí)行單元模塊。完成邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、移位運(yùn)算、比較轉(zhuǎn)移的PC值計(jì)算、比較后賦值。idecode32模塊譯碼單元模塊。對寄存器組進(jìn)行操作。根據(jù)指令譯碼結(jié)果，決定向其他部件（如運(yùn)算器）送1路或兩路數(shù)據(jù)。ifetc32模塊取指單元模塊。到程序ROM中取指令、對PC值進(jìn)行+4處理、完成各種跳轉(zhuǎn)指令的PC修改功能。int32模塊中斷模塊。具有兩個(gè)中斷功能一一中斷0和中斷1,中斷0優(yōu)先級大于中斷1，不支持同級中斷嵌套。將$12和$14設(shè)計(jì)為兩個(gè)中斷返回地址存放寄存器，分別在中斷0和中斷1到來的時(shí)候存放返回地址。它們分別稱為也0和$i1。timecount模塊時(shí)鐘脈沖分頻模塊。共分為四個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的頻率相同，且均為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的4倍。不同的脈沖用以控制不同的CPU內(nèi)部模塊的運(yùn)行。cs138模塊譯碼模塊。用于產(chǎn)生各個(gè)接口模塊的片選信號。本組設(shè)計(jì)的主要特色1、可運(yùn)行指定的31條MIPS指令的RISC型MIPS32微處理器，具有32位指令，16位地址線和32數(shù)據(jù)線。2、處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的2KB的指令存儲(chǔ)器和4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有2個(gè)中斷源入口，兩級中斷優(yōu)先級。3、鍵盤采用中斷方式，而非掃面方式，為中斷0級（最高級）。4、2個(gè)32位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。5、CPU內(nèi)部采用分頻的方法，用不同的時(shí)鐘對不同的模塊進(jìn)行同步控制，從而提高了主頻。6、鍵盤和LCD的時(shí)鐘由CTC提供，初始化程序在BIOS中。7、具有看門狗功能，通過指令對WDT進(jìn)行復(fù)位。8、MEM和IO統(tǒng)一編址。IO的高3位產(chǎn)生片選CS信號，故最多支持8個(gè)接口，低5位用來選擇8個(gè)32位的端口。9、附有類C語言編譯器，詳細(xì)見MIPS32編譯程序使用手冊。10、提供有LCD接口電路。11、CPU與接口之間的數(shù)據(jù)線有64條，用于CPU輸出和讀入數(shù)據(jù)。12、CPU內(nèi)的ROM和RAM均采用同步控制。13、采用32位的mips匯編BIOS程序。14、編寫有RAM和內(nèi)部寄存器使用規(guī)則，避免因用戶隨意修改RAM和寄存器內(nèi)存放的值而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓。15、規(guī)定了用戶用mips匯編寫代碼時(shí)可用的寄存器和RAM地址空間。16、按住鍵盤上的某個(gè)鍵，在屏幕上并不是連續(xù)顯示鍵值，兩個(gè)前后顯示的鍵值之間會(huì)有一定的時(shí)間間隔。17、當(dāng)編譯用戶的C程序時(shí)，如果堆棧指針越界，編譯程序會(huì)提示出錯(cuò)，并在

本組設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)取指模塊譯碼模塊存儲(chǔ)模塊執(zhí)行模塊U控制模塊脈沖模塊定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行通信鍵盤掃描脈沖調(diào)制LCD接口看門狗LED接口本組設(shè)計(jì)中各個(gè)部件的設(shè)計(jì)與特色CPU由六大模塊構(gòu)成，分別是取指模塊、控制模塊，譯碼模塊，存儲(chǔ)模塊，執(zhí)行模塊，脈沖分頻模塊?？蛇\(yùn)行指定的31條MIPS指令的RISC型MIPS32微處理器，具有32位指令，16位地址線和32數(shù)據(jù)線。處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的2KB的指令存儲(chǔ)器和4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。具有2個(gè)中斷源入口，兩級中斷優(yōu)先級。采用同步的RAM和ROM代替異步。CTC定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊。兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器CNT0和CNT1。具有計(jì)數(shù)和定時(shí)兩個(gè)功能。計(jì)數(shù)方式下可以對輸入的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到初值寄存器的值的時(shí)候，設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位。定時(shí)方式下，在時(shí)鐘作用下計(jì)時(shí)器做減1，到0的時(shí)候設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位，并在相應(yīng)的COUT腳輸出一個(gè)時(shí)鐘的低電平（平時(shí)COUT是高電平）。狀態(tài)寄存器在被讀取后被清零。PWM脈沖寬度調(diào)制模塊?？梢哉{(diào)節(jié)脈沖的頻率和占空比（本模塊不支持）。一個(gè)12位PWM內(nèi)部一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)對比值，計(jì)數(shù)器周而復(fù)始的加1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到0FFFH的時(shí)候轉(zhuǎn)為0再計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值大于對比值，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。WDT看門狗模塊。內(nèi)含一個(gè)16位定時(shí)器，系統(tǒng)復(fù)位后計(jì)數(shù)值為FFFFH，之后每時(shí)鐘計(jì)數(shù)值減1，當(dāng)減到0的時(shí)候，向CPU發(fā)4個(gè)時(shí)鐘周期的RESET信號，同時(shí)計(jì)數(shù)值恢復(fù)到FFFFH并繼續(xù)計(jì)數(shù)。通過軟件不斷地定期寫看門狗端口來復(fù)位看門狗，使計(jì)數(shù)器重新從FFFFH開始計(jì)數(shù)。增加看門狗電路后，CPU的RESET輸入腳是系統(tǒng)復(fù)位信號和看門狗發(fā)出的復(fù)位信號的組合。UART串行通信模塊。發(fā)送器要對外部時(shí)鐘XTAL按照波特率要求進(jìn)行分頻，本設(shè)計(jì)采用固定波特率4800b/s。接收器接收數(shù)據(jù)的采用率是波特率的16倍（也由XTAL分頻得到）。采用中間值采用的原則，也就是一個(gè)數(shù)據(jù)位占16個(gè)接收時(shí)鐘寬度，在第8個(gè)時(shí)鐘的時(shí)候采樣。數(shù)據(jù)格式固定為一位起始位0,16位數(shù)據(jù)位，暫無校驗(yàn)位,1位停止位1,若干空閑位1串行輸出線空閑狀態(tài)為1。端口列表：100:接收移位寄存器101:發(fā)送移位寄存器010:寫入緩沖寄存器011:內(nèi)部狀態(tài)寄存器KEY鍵盤掃描模塊。硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描4x4的鍵盤，當(dāng)有鍵盤按下的時(shí)候掃描鍵值，將鍵值記錄到鍵值寄存器，并置位狀態(tài)寄存器中的，有鍵”標(biāo)志，同時(shí)發(fā)出中斷。當(dāng)CPU讀出鍵值后，將“有鍵”標(biāo)志清除。采用中斷的方式而不采用CPU掃描的方式是本設(shè)計(jì)的特色，如果長時(shí)間不按鍵的話可以節(jié)省很多CPU時(shí)間，所以這樣做提高了CPU的工作效率。LEDLED燈控制模塊。設(shè)計(jì)：32位輸入數(shù)據(jù)，每半個(gè)字節(jié)控制一位七段LED,

本組設(shè)計(jì)的MIPS32編譯程序使用手冊編寫程序的語言的語法說明：1、允許全局變量和函數(shù)局部變量，但一個(gè)函數(shù)內(nèi)的變量在同一層次；2、所有標(biāo)識(shí)符只能是以字母打頭，數(shù)字字母串，不能含有‘_’；3、立即數(shù)可以是十進(jìn)制或是以“0x”打頭的十六進(jìn)制；4、循環(huán)語句允許有for、while、do...while，可以用continue、break；5、不支持goto語句；6、條件語句可以用if...else...，不能用switch...case...；7、變量最多允許為一維，類型只能為有符號整型，不支持變量初始化；8、函數(shù)可以有申明，返回類型為void或int，可以嵌套、遞歸調(diào)用；9、允許空語句；10、算術(shù)操作符有+、-、*、/、％、&（按位與xI（按位或X人（按位異與X＜＜（左移X＞＞（右移X.（取變量的第幾位，返回0、1X-（負(fù)號）；11、邏輯操作符有&&、II、!；12、關(guān)系運(yùn)算符有＜、＞、＜=、＞=、！=、==；13、支持變量后++，變量后--；14、對端口操作可以用在端口號地址前加‘$’；15、可以沒有main()函數(shù)，中斷處理函數(shù)的名稱分別為“interuptServer0”和“interuptServerl”；16、不允許用頭文件，所有程序只能放在同一個(gè)文件中；17、BIOS功能調(diào)用的函數(shù)名：該程序生成的中間代碼類似于匯編程序，但有所不同：1、每條語句前可以有標(biāo)號，必須是以L’打頭，后面跟上十進(jìn)制數(shù)；L0，L1都有特殊含義，L0是中斷0跳轉(zhuǎn)地址，L1是中斷1跳轉(zhuǎn)地址；2、每條指令都是一個(gè)操作碼加上三個(gè)操作數(shù)，中間不需要其他符號，操作數(shù)不夠的后面補(bǔ)零；3、只有一條偽指令“int”，相當(dāng)于定義變量，可以在函數(shù)結(jié)構(gòu)內(nèi)定義局部變量，也可在函數(shù)外定義全局變量，以‘；’結(jié)束。操作數(shù)中出現(xiàn)的變量名就等價(jià)于立即數(shù)，值等于它的偏移量；4、指令“j"jal”beq”bne”后跟的是要跳轉(zhuǎn)的地址處標(biāo)號的值，而非跳轉(zhuǎn)地址或偏移；5、“l(fā)w"sw”的后面的參數(shù)順序與網(wǎng)頁上的不同，將立即數(shù)放在了最后；6、寄存器可以用‘$’后加數(shù)表示，也可以加寄存器名表示，即“$1”和“$at”等價(jià);7、立即數(shù)支持正、負(fù)，十進(jìn)制、十六進(jìn)制（以“0x”打頭）；對于關(guān)鍵部分的程序可以在中間代碼進(jìn)行人工修改后在匯編翻譯。語法和詞法：digitletter:[0-9]:[a-zA-Z];token:lettertoken|letter;decnums:digitdecnums|;decnum:digit|[1-9]decnums;hexnums:[0-9a-f]hexnums|;hexnum:'0x'hexnums;number:decnum|hexnum;var:'$'arifif|token|token'['ariexp']';argsfuncal:ariexp','args|ariexp|;:token'('args')';arifif:var|funcal|'('ariexp')'|number;arifor:'-'arifif|arifif;arithi:arithi'&'ariforIarithi'I'ariforIarithi'A'ariforIarithi'.'ariforIarithi'>>'ariforIarithi'<<'ariforIarifor;arisec:arisec'*'arithiIarisec'/'arithiIarisec'%'arithiIarithi;ariexprelation:ariexp'+'arisecIariexp'-'arisecIarisec;:ariexp'<'ariexpIariexp'>'ariexpIariexp'<='ariexpIariexp'>='ariexpIariexp'=='ariexpIariexp!='ariexpI'true';logthilogseclogexpdefvar:'!'logthiI'('logexp')'Irelation;:logsec'&&'logthiIlogthi;:logexp'II'logsecIlogsec;:tokenItoken'['number']';defvars:defvar','defvariablesIdefvar;defsen:'int'defvars;empsen:';';retsen:'return'ariexp;assen:var'='ariexpIvar'++'Ivar'--';forini:asssenI;forjudgefordo:logexpI;:asssenI;forsen:'for''('forini';'forjudge';'fordo')'block;whisen:'while''('logexp')'block;dowsen:'do'block'while''('logexp')'';';iffsen:'if'('logexp')'blockI'if''('logexp')'block'else'block;sentence:empsenIasssen';'IforsenIwhisenIdowsenIiffsenIdefsenIfuncal';'I'break'';'I'continue'';'Iretsen;block:'{'sentenceblock'}'Isentence;fundefvars:'int'token','fundefvarsI'int'tokenI;fundec:rettypetoken'('fundefvars')'';';fundef:rettypetoken'('fundefvars')''{'block'}';function:fundefIfundec;wsentence:defsenIfunction;program:wsentenceprogram;BIOS功能調(diào)用：1、KEY入口地址49823號寄存器存放鍵值特權(quán)用戶從19號寄存器取數(shù)據(jù)2、LED入口地址489規(guī)定將要寫的內(nèi)容放到20號寄存器中3、rUART入口地址478特權(quán)寄存器22用來存放從UART讀來的數(shù)據(jù)，用戶從18號寄存器取出數(shù)據(jù)。UART接收了CPU發(fā)出的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收緩沖寄存器為空時(shí)將$24清零4、wUART入口地址467用戶用21號寄存器來寫21號寄存器的內(nèi)容賦給24號寄存器24號寄存器是中斷保留使用的5、WRONG（不對用戶開放）

RAM使用規(guī)則：系統(tǒng)使用的RAM地址范圍：03F7-03FF用戶使用的RAM地址范圍：0000?03F6寄存器使用規(guī)則：$0：常量0寄存器$1:留做匯編使用$2-$3:用于表達(dá)式和函數(shù)值的存放$4-$7:存放參數(shù)1~3$8?$15:臨時(shí)變量寄存器，調(diào)用時(shí)不用保存壓棧的$16?$21:變量寄存器，需要壓棧保存。$18用戶從該寄存器里讀UART的內(nèi)容；$19用戶從該寄存器里讀鍵盤的鍵值；$20存放用戶將要寫到LED內(nèi)的內(nèi)容；$21存放用戶將要寫到UART內(nèi)的內(nèi)容$22:特權(quán)寄存器，中斷程序用它存放從UART讀來的數(shù)據(jù)$23:特權(quán)寄存器，中斷程序用它存放寄存器的鍵值$24:特權(quán)寄存器，UART中斷使用$25:特權(quán)寄存器，判斷堆棧指針是否越界時(shí)使用$26?$27:為操作系統(tǒng)內(nèi)核保留

contTol32.vV文件3EEcsl38.wV文件1KB■Jjtiemijrv'JW.wV文件1KB1decode32.vV文件9KBint32.vV支件1KBLEDO.vV支件2EBMEIflorlO.vV文件1EBTM.vV文件1EBtimeizciiaxLt.v￥文件1EBWDT.vsiEBVI1-CiZiijritClcnzk.vV文件1EEcrc.vV文件5KBexacTits32.vV文件23KBitetc3^.vV文件3KBkm/boarLvV支件1KBLED.vV支件3EBfflLDE32.VV文件6EBSOC.vV文件3EBUART.v￥文件4EBLCD.vV文件3EB注：這里只列出文件的列表，BIOS程序及.v文件具體代碼請參見光盤。CPU的vwf圖ErLo—80srLo—CS138^240.0ns320.0nsII560Pns640PnsvWACSCiFFFF土W21麗T000—20010001X20100001YJWXWSCIW4XCICIWWCIB"7ooooooocX00000010CICICICICICI84XTTBFFEDS*F42SCI脂%F6DDDDSSXF鴕DWT!0000001C!jrr~000000gQ!j)0000024CICICOT"—X碩ICIW1800000000XOOOOOOOIX)0000002X00000000WWCICICIICICICICICIWI~X)CICIWCICI2XWCICICICICI~~000000ID000000IF00000001oobobotjoiVVWvVVVvvyAAAxxxxxxxx00000002OOOOOOOIoooooooo0000001100000000i0000003Ci00000002oooooooiItraiwiig3ps<10.0ns20.0ns30.0ns40.0ns50.0ns60.0ns70.0ns80.0nw90.0ns100.0ns110.0nw120.0ns

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