計算機組成原理實驗2.2-實驗報告

PAGEPAGE1學(xué)生實驗報告學(xué)院：軟件學(xué)院專業(yè)：軟件工程年級：2010級學(xué)號：學(xué)生姓名：同組學(xué)生姓名：實驗課程名稱：計算機組成原理實驗實驗名稱：Cache控制器設(shè)計實驗指導(dǎo)教師：實驗時間：實驗地點：2012年月日實驗?zāi)康呐c要求(1)掌握Cache控制器的原理及其設(shè)計方法。(2)熟悉CPLD應(yīng)用設(shè)計及EDA軟件的使用。實驗設(shè)備PC機一臺，TD-CM3+或TD-CMX實驗系統(tǒng)一套。實驗原理本實驗采用的地址變換是直接映象方式，這種變換方式簡單而直接，硬件實現(xiàn)很簡單，訪問速度也比較快，但是塊的沖突率比較高。其主要原則是：主存中一塊只能映象到Cache的一個特定的塊中。假設(shè)主存的塊號為B，Cache的塊號為b，則它們之間的映象關(guān)系可以表示為：b=BmodCb其中，Cb是Cache的塊容量。設(shè)主存的塊容量為Mb，區(qū)容量為Me，則直接映象方法的關(guān)系如圖2-2-1所示。把主存按Cache的大小分成區(qū)，一般主存容量為Cache容量的整數(shù)倍，主存每一個分區(qū)內(nèi)的塊數(shù)與Cache的總塊數(shù)相等。直接映象方式只能把主存各個區(qū)中相對塊號相同的那些塊映象到Cache中同一塊號的那個特定塊中。例如，主存的塊0只能映象到Cache的塊0中，主存的塊1只能映象到Cache的塊1中，同樣，主存區(qū)1中的塊Cb（在區(qū)1中的相對塊號是0）也只能映象到Cache的塊0中。根據(jù)上面給出的地址映象規(guī)則，整個Cache地址與主存地址的低位部分是完全相同的。直接映象方式的地址變換過程如圖2-2-2所示，主存地址中的塊號B與Cache地址中的塊號b是完全相同的。同樣，主存地址中的塊內(nèi)地址W與Cache地址中的塊內(nèi)地址w也是完全相同的，主存地址比Cache地址長出來的部分稱為區(qū)號E。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)要訪問Cache時，為了實現(xiàn)主存塊號到Cache塊號的變換，需要有一個存放主存區(qū)號的小容量存儲器，這個存儲器的容量與Cache的塊數(shù)相等，字長為主存地址中區(qū)號E的長度，另外再加一個有效位。在主存地址到Cache地址的變換過程中，首先用主存地址中的塊號去訪問區(qū)號存儲器（按地址訪問）。把讀出來的區(qū)號與主存地址中的區(qū)號E進行比較，根據(jù)比較結(jié)果和與區(qū)號在同一存儲字中的有效位情況作出處理。如果區(qū)號比較結(jié)果相等，有效位為‘1’，則Cache命中，表示要訪問的那一塊已經(jīng)裝入到Cache中了，這時Cache地址（與主存地址的低位部分完全相同）是正確的。用這個Cache地址去訪問Cache，把讀出來的數(shù)據(jù)送往CPU。其他情況均為Cache沒有命中，或稱為Cache失效，表示要訪問的那個塊還沒有裝入到Cache中，這時，要用主存地址去訪問主存儲器，先把該地址所在的塊讀到Cache中，然后CPU從Cache中讀取該地址中的數(shù)據(jù)。本實驗要在CPLD中實現(xiàn)Cache及其地址變換邏輯（也叫Cache控制器），采用直接相聯(lián)地址變換，只考慮CPU從Cache讀數(shù)據(jù)，不考慮CPU從主存中讀數(shù)據(jù)和寫回數(shù)據(jù)的情況，Cache和CPU以及存儲器的關(guān)系如圖2-2-3所示。Cache控制器頂層模塊如圖2-2-4所示，主存地址為A7…A0,共8位，區(qū)號E取3位，這樣Cache地址還剩5位，所以Cache容量為32個單元，塊號B取3位，那么Cache分為8塊，塊內(nèi)地址W取2位，則每塊為4個單元。圖2-2-4中，WCT為寫Cache塊表信號，CLR為系統(tǒng)總清零信號，A7…A0為CPU訪問內(nèi)存的地址，M為Cache失效信號，CA4…CA0為Cache地址，MD7…MD0為主存送Cache的數(shù)據(jù)，D7…D0為Cache送CPU數(shù)據(jù)，T2為系統(tǒng)時鐘，RD為CPU訪問內(nèi)存讀信號，LA1和LA0為塊內(nèi)地址。在QuartusII軟件中先實現(xiàn)一個8位的存儲單元（見例程中的MemCell.bdf），然后用這個8位的存儲單元來構(gòu)成一個32X8位的Cache（見例程中的CacheMem.bdf）,這樣就實現(xiàn)了Cache的存儲體。再實現(xiàn)一個4位的存儲單元（見例程中的TableCell.bdf），然后用這個4位的存儲單元來構(gòu)成一個8X4位的區(qū)表存儲器，用來存放區(qū)號和有效位（見例程中的CacheTable.bdf）,在這個文件中，還實現(xiàn)了一個區(qū)號比較器，如果主存地址的區(qū)號E和區(qū)表中相應(yīng)單元中的區(qū)號相等，且有效位為1，則Cache命中，否則Cache失效，標(biāo)志為M，M為0時表示Cache失效。當(dāng)Cache命中時，就將Cache存儲體中相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)送往CPU，這個過程比較簡單。當(dāng)Cache失效時，就將主存中相應(yīng)塊中的數(shù)據(jù)讀出寫入Cache中，這樣Cache控制器就要產(chǎn)生訪問主存儲器的地址和主存儲器的讀信號，由于每塊占四個單元，所以需要連續(xù)訪問四次主存，這就需要一個低地址發(fā)生器，即一個2位計數(shù)器（見例程中的Counter.vhd），將低2位和CPU給出的高6位地址組合起來，形成訪問主存儲器的地址。M就可以做為主存的讀信號，這樣，在時鐘的控制下，就可以將主存中相應(yīng)的塊寫入到Cache的相應(yīng)塊中，最后再修改區(qū)表（見例程中的（CacheCtrl.bdf）。實驗步驟1、實驗接線：實驗步驟：使用QuartusII軟件編輯實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯并進行編譯，直到編譯通過，Cache控制器在EPM1270芯片中對應(yīng)的引腳如圖2-2-5所示，框外文字表示I/O號，框內(nèi)文字表示該引腳的含義（本實驗例程見‘安裝路徑\Cpld\CacheCtrl\CacheCtrl.qpf’工程）(2)關(guān)閉實驗系統(tǒng)電源，按圖2-2-6連接實驗電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明。(3)打開實驗系統(tǒng)電源，將生成的POF文件下載到EMP1270中去，CPLD單元介紹見實驗1.2。(4)將時序與操作臺單元的開關(guān)KK3置為‘運行’檔，CLR信號由CON單元的CLR模擬給出，按動CON單元的CLR按鈕，清空區(qū)表。(5)預(yù)先往主存寫入數(shù)據(jù)：聯(lián)機軟件提供了機器程序下載功能，以代替手動讀寫主存，機器程序以指定的格式寫入到以TXT為后綴的文件中，機器指令的格式如下：如$P1F11，表示機器指令的地址為1FH，指令值為11H，本次實驗只初始化00-0FH共16個單元，初始數(shù)據(jù)如下，程序中分號‘；’為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉。;//**************************************//;////;//Cache控制器實驗指令文件//;////;//ByTangDuCO.,LTD//;////;//**************************************//;//*****StartOfMainMemoryData******//$P0011;數(shù)據(jù)$P0122$P0233$P0344$P0455$P0566$P0677$P0788$P0899$P09AA$P0ABB$P0BCC$P0CDD$P0DEE$P0EFF$P0F00;//******EndOfMainMemoryData*******//用聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】—【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實驗系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸出區(qū)的‘結(jié)果’欄會顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(6)聯(lián)機軟件在啟動時會讀取所有機器指令和微指令，在指令區(qū)顯示，軟件啟動后，也可以選擇菜單命令“【轉(zhuǎn)儲】—【刷新指令區(qū)】”讀取下位機指令，并在指令區(qū)顯示。點擊指令區(qū)的‘主存’TAB按鈕，兩列數(shù)據(jù)中顯示了主存的所有數(shù)據(jù)，第一列為主存地址，第二列為該地址中的數(shù)據(jù)。對上面文件檢查機器程序是否正確，如果不正確，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨修改某個單元的指令，單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，寫入數(shù)據(jù)以紅色顯示。(7)CPU訪問主存地址由CON單元的SD17…SD10模擬給出，如00000001。CPU訪問主存的讀信號由CON單元的K7模擬給出，置K7為低，可以觀察到CPLD單元上的L8指示燈亮，L0…L7指示燈滅，表示Cache失效。此時按動KK按鈕四次，注意CPU內(nèi)總線上指示燈的變化情況，地址會依次加一，數(shù)據(jù)總線上顯示的是當(dāng)前主存數(shù)據(jù)，按動四次KK按鈕后，L8指示燈變滅，L0…L7上顯示的值即為Cache送往CPU的數(shù)據(jù)。(8)重新給出主存