計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)習(xí)報(bào)告

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1.實(shí)習(xí)的目的和任務(wù) 12.實(shí)習(xí)規(guī)定 12.1任務(wù)規(guī)定 12.2課程規(guī)定 13.實(shí)習(xí)地點(diǎn) 14.重要儀器設(shè)備（實(shí)驗(yàn)用的軟硬件環(huán)境） 25.實(shí)習(xí)內(nèi)容 25.1硬布線控制器的設(shè)計(jì)原理 25．2用CPLD器件實(shí)現(xiàn)硬布線控制器 25.3實(shí)驗(yàn)原理 35.4安裝軟件 45.5實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 86.問(wèn)題討論與分析 137.結(jié)論 14參考文獻(xiàn) 14基于硬布線控制器的基本模型機(jī)設(shè)計(jì)1.實(shí)習(xí)的目的和任務(wù)通過(guò)實(shí)習(xí)進(jìn)一步理解微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理，熟悉模型機(jī)的硬布線，基本RISC解決器構(gòu)成，流水線微程序模型機(jī)的設(shè)計(jì)，掌握完畢某些有關(guān)程序的編制、運(yùn)行和調(diào)試工作。掌本次實(shí)習(xí)內(nèi)容重要是掌握硬布線控制器的設(shè)計(jì)原理，掌握如何使用大規(guī)?？删幊唐骷戤呌膊季€控制器的設(shè)計(jì)，理解硬布線模型機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)辦法。通過(guò)下載程序到CPLD芯片上對(duì)所設(shè)計(jì)的硬布線模型進(jìn)行驗(yàn)證。2.實(shí)習(xí)規(guī)定2.1任務(wù)規(guī)定（1）按照實(shí)習(xí)規(guī)定完畢有關(guān)程序的編制；（2）認(rèn)真調(diào)試程序,完畢實(shí)習(xí)任務(wù)；（3）完畢實(shí)習(xí)報(bào)告2.2課程規(guī)定（1）理解CPLD的原理及其硬布線設(shè)計(jì)模型的原理（2）根據(jù)設(shè)計(jì)好的硬布線設(shè)計(jì)模型連接好連線圖，并檢查好線路；（3）將完畢的有關(guān)程序加載到CPLD芯片上；（4）通過(guò)變化輸入單元的值和控制單元的狀態(tài)變化，和時(shí)鐘周期的變化來(lái)驗(yàn)證明驗(yàn)成果3.實(shí)習(xí)地點(diǎn)田家炳樓4074.重要儀器設(shè)備（實(shí)驗(yàn)用的軟硬件環(huán)境）硬件：XP系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，ZYE1603B計(jì)算機(jī)構(gòu)成原理及系統(tǒng)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)，排線若干。軟件：QUARTUSII軟件，MAX+plus=2\*ROMANII10.25.實(shí)習(xí)內(nèi)容5.1硬布線控制器的設(shè)計(jì)原理計(jì)算機(jī)控制器有兩種實(shí)現(xiàn)辦法：1、硬布線控制器(也稱(chēng)組合邏輯控制器)2、微程序控制器。設(shè)計(jì)硬布線控制器是根據(jù)實(shí)現(xiàn)各指令功效所需控制命令的對(duì)應(yīng)邏輯條件及時(shí)序，來(lái)構(gòu)成各個(gè)控制命令的邏輯體現(xiàn)式，然后由多個(gè)不同的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)它，構(gòu)成邏輯控制部件。5.2硬布線控制器邏輯設(shè)計(jì)中注意的事項(xiàng)(1)采用適宜指令格式，合理分派指令操作碼；(2)擬定機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻；(3)擬定機(jī)器周期數(shù)及一周期內(nèi)的操作；(4)進(jìn)行指令綜合；綜合全部指令的每一種操作命令，寫(xiě)出邏輯體現(xiàn)式，并進(jìn)行化簡(jiǎn)。(5)明確組合邏輯電路。將簡(jiǎn)化后的邏輯體現(xiàn)式用組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作命令的控制信號(hào)先用邏輯體現(xiàn)式列出，進(jìn)行化簡(jiǎn)，考慮多個(gè)條件的約束，合理選用邏輯門(mén)電路、觸發(fā)器等器件，采用組合邏輯電路的設(shè)計(jì)辦法產(chǎn)生控制信號(hào)?？傊?，控制信號(hào)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，技巧性較強(qiáng)，現(xiàn)在已有某些專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或工具供邏輯設(shè)計(jì)使用，但是，對(duì)全局的考慮重要依靠設(shè)計(jì)人員的智慧和經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。5．3用CPLD器件實(shí)現(xiàn)硬布線控制器實(shí)驗(yàn)箱采用MAX+PLUSⅡ軟件來(lái)對(duì)可編程器件EPM7128進(jìn)行編程下載。該軟件支持原理圖和硬件描述語(yǔ)言輸入方式，并可對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行功效時(shí)序仿真。根據(jù)指令流程圖設(shè)計(jì)了—套五條指令的指令系統(tǒng)表。配對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，能夠得出圖硬布線控制器指令流程圖。對(duì)于CPLD的程序編制中重要是對(duì)管腳并編譯鎖定管腳的分派，以下圖1-1：圖1-1硬布線控制器管腳分派表5.4實(shí)驗(yàn)原理在本節(jié)的實(shí)驗(yàn)中我們要運(yùn)用前面已設(shè)計(jì)的硬布線控制器來(lái)與其它單元一起構(gòu)成一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。在這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制由硬布線控制器來(lái)完畢，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令始終到指令執(zhí)行結(jié)束的一種機(jī)器周期全部由硬布線產(chǎn)生的控制信號(hào)來(lái)控制。在此用硬布線控制器完全替代微程序控制器，它準(zhǔn)時(shí)序，產(chǎn)生節(jié)拍和電平信號(hào)來(lái)控制整個(gè)模型機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了與微程序基本模型機(jī)完全相似的五條機(jī)器指令，其指令格式以下：助記符機(jī)器指令碼闡明IN00000000；輸入設(shè)備中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)→R0ADDaddr00010000XXXXXXXX；二進(jìn)制加法，R0+[addr]→R0STAaddr00100000XXXXXXXX；存數(shù)，R0→[addr]OUTaddr00110000XXXXXXXX；輸出，[addr]→BUS(總線)JMPaddr01000000XXXXXXXX；無(wú)條件轉(zhuǎn)移，addr→PC機(jī)器指令碼的前4位為操作碼。其中IN為單字長(zhǎng)，其它為雙字長(zhǎng)指令，XXXXXXXX為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。數(shù)據(jù)通路框圖，如圖1—2。硬布線控制器指令流程圖，如圖1—3。圖1-2數(shù)據(jù)通路框圖圖1—3硬布線控制器指令流程圖5.5安裝軟件5.5.1MAX+PLUS=2\*ROMANII10.2的安裝（1）、進(jìn)入MAX+plusⅡ軟件的目錄運(yùn)行Autorun.exe程序后以下圖所示：（2）根據(jù)提示始終點(diǎn)擊”next”,”yes”,”next”,輸完顧客名”next”，出現(xiàn)安裝方式，選擇FullInstation,“next”出現(xiàn)以下，選擇好途徑圖1-5(3)安裝完畢雙擊MAX+PLUS=2\*ROMANII10.2圖標(biāo)，Alera公司規(guī)定顧客閱讀Licenceagrement文檔，進(jìn)行激活。（4）在主界面菜單選擇"Option">"LicenseSetup"菜單（如圖1-10所示），"Browse"選擇D:\maxplus2，并選擇license.dat為授權(quán)文獻(xiàn)，退出MAX+plusII，再次進(jìn)入MAX+plusII。5.5.2QUARTUSII的安裝QuartusII是Altera公司的綜合性PLD開(kāi)發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多個(gè)設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，能夠完畢從設(shè)計(jì)輸入到硬件配備的完整PLD設(shè)計(jì)流程。（1）運(yùn)行G:\quartusII4.1\quartusii_41_pc，開(kāi)始安裝；（2）選擇安裝quartusII4.1軟件；（3）設(shè)立安裝途徑；點(diǎn)擊finish完全安裝。（4）打開(kāi)（啟動(dòng)）已安裝好的QUARTUSII），選擇Specifyvalidlicensefile項(xiàng)。（5）選擇菜單“Tools”,在LicenSetup欄中選擇文獻(xiàn)D:/altera/quartus41/Quartus41_license.dat;（6）點(diǎn)擊“OK”，關(guān)閉此欄，配備完畢；（7）關(guān)閉QUARTUSII，再打開(kāi)即可。（8）點(diǎn)擊Quartus軟件中的tools/programmer；（9）點(diǎn)擊上圖窗口中的“HardwareSetup”按鈕，出現(xiàn)以下界面：（10）點(diǎn)擊“AddHardware”，出現(xiàn)以下界面：（11）按照?qǐng)D示選擇OK，出現(xiàn)以下界面：

（12）點(diǎn)擊CLOSE按鍵出現(xiàn)以下界面：5.6實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)5.6．1MAX+PLUS=2\*ROMANII的設(shè)計(jì)過(guò)程（1）MAX+PLUS=2\*ROMANII設(shè)計(jì)模擬器圖1-4MAX+PLUS=2\*ROMANII設(shè)計(jì)過(guò)程MAX+PLUS=2\*ROMANII的設(shè)計(jì)過(guò)程也可用以下流程圖1-5表達(dá)，其中各方框標(biāo)明了所完畢的功效設(shè)計(jì)輸入項(xiàng)目編譯功效/時(shí)序仿真項(xiàng)目校驗(yàn)編程/配備項(xiàng)目編程圖1-5MAX+PLUS=2\*ROMAN設(shè)計(jì)輸入項(xiàng)目編譯功效/時(shí)序仿真項(xiàng)目校驗(yàn)編程/配備項(xiàng)目編程（2）設(shè)計(jì)規(guī)定，進(jìn)行項(xiàng)目編程為了更易于理解硬布線模型機(jī)的工作原理，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了與基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)程序同樣的一段實(shí)驗(yàn)程序；通過(guò)運(yùn)行程序，使學(xué)生能清晰的懂得用微程序控制器與組合邏輯控制器都能夠?qū)崿F(xiàn)CPU的控制功效，組合邏輯控制器和微程序控制器是計(jì)算機(jī)的兩種控制方式。本程序從輸入設(shè)備(數(shù)碼開(kāi)關(guān))讀入數(shù)據(jù)，與0A單元的數(shù)據(jù)相加，然后送到輸出設(shè)備(LED數(shù)碼管)進(jìn)行顯示。程序不停地循環(huán)運(yùn)行，在運(yùn)行中可變化輸入開(kāi)關(guān)(輸入單元)的值，觀察輸出顯示的變化。設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序以下(機(jī)器碼和地址為十六進(jìn)制數(shù)據(jù))。地址內(nèi)容助記符闡明00001N；輸入開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)→R0，采集數(shù)據(jù)0l10ADD[0AH]；R0+[0AH]→R0，輸入數(shù)據(jù)與指定數(shù)據(jù)相加020A；地址0320STA[0BH]；R0→[0B]040B；地址0530OUT[0BH]；[0BH]→BUS，輸山顯示060B；地址0740JMP[00H]；00H→PC0800；跳轉(zhuǎn)地址0A01；加數(shù)，可自定0B：求和成果保存在0B單元（3）按以下圖1-6，分派設(shè)計(jì)引腳信號(hào)名管腳號(hào)對(duì)應(yīng)器件名稱(chēng)clk1時(shí)鐘信號(hào)CP1clear69數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)K17en54數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)K1q027輸出發(fā)光二極管L1q128輸出發(fā)光二極管L2q229輸出發(fā)光二極管L3q330輸出發(fā)光二極管L4cout35輸出發(fā)光二極管L5圖1-6（4）語(yǔ)言描述輸入法采用HDL設(shè)計(jì)，可提高開(kāi)發(fā)速度，設(shè)計(jì)易讀。MAX+PLUS=2\*ROMANII支持AHDL語(yǔ)言（theAlteraHardwareDescriptionLanguage），VHDL，VerilogHDL等語(yǔ)言輸入。其設(shè)計(jì)過(guò)程與圖形辦法基本相似，僅在開(kāi)始時(shí)建立文本文獻(xiàn)。生成.Scf的文獻(xiàn)選擇.pof的用于接下來(lái)的加載5.6．2連接線路根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序按圖1-7接線（圖中箭頭表達(dá)需要接線的地方，接總線和控制信號(hào)時(shí)要注意高低位一一對(duì)應(yīng)，可用彩排線的顏色來(lái)進(jìn)行分辨）。圖1-7硬布線接線圖5.6．3下載程序下載硬布線控制器程序到CPLD中。用MAX+PLUSII下載對(duì)應(yīng)的硬布線控制器程序“PROGl．POF"到EMP7128中，如上的QUARTUSII的安裝環(huán)節(jié)（12），點(diǎn)擊AddFilese,打開(kāi)CPLD文獻(xiàn)夾選擇PROGl．POF。之后點(diǎn)擊START，進(jìn)行與電箱的連接，分析錯(cuò)誤。5.6．4聯(lián)機(jī)讀／寫(xiě)程序使用聯(lián)機(jī)軟件的文獻(xiàn)裝載將實(shí)驗(yàn)程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中，并用軟件的讀出功效進(jìn)行檢查。參考程序的對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)名為“硬布線模型機(jī).TXT”。點(diǎn)擊MAX+PLUS=2\*ROMANII軟件，進(jìn)行聯(lián)機(jī)，使用聯(lián)機(jī)軟件，點(diǎn)擊操作中的檢測(cè)串口，查看電箱與否連接好了。當(dāng)出現(xiàn)聯(lián)機(jī)成功的提示之后，點(diǎn)擊操作中的“加載文獻(xiàn)”加載以下，從程序?qū)嶒?yàn)中選擇基本模型2。$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M1400$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A115.6．5手動(dòng)運(yùn)行程序(1)單步運(yùn)行程序A.使控制臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)SP05處在“NORM”狀態(tài)，SP06處在“RUN”狀態(tài)，SP03為“STEP”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)。B．撥動(dòng)開(kāi)關(guān)單元的總清開(kāi)關(guān)CLR(1→0→1)，微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為00H。C.單步運(yùn)行指令，每按動(dòng)一次控制臺(tái)單元的START觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，即單步運(yùn)行—條指令。D．當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后，檢查輸山單元的數(shù)碼管批示與否與程序理論計(jì)算值一致。(2)持續(xù)運(yùn)行程序A.使控制臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)SP05處在“NORM”狀態(tài)，SP06處在“RUN”狀態(tài)，信號(hào)單元中的SP03為“RUN”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)。B．撥動(dòng)開(kāi)關(guān)單元的總清開(kāi)關(guān)CLR(1→0→1)，微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零，然后按動(dòng)控制臺(tái)單元的START觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行程序，稍后將SP04撥至“STOP'’時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。C．停機(jī)后，檢查輸山單元數(shù)碼管批示與否與理論成果一致。6.問(wèn)題討論與分析（1）在第一次運(yùn)行時(shí)對(duì)于連線部分：當(dāng)連接好線路時(shí)，用QUARTUSII加載PRO.pof的程序到芯片中去，即使在測(cè)試的時(shí)候沒(méi)有出錯(cuò)，但是在執(zhí)行單步運(yùn)行的時(shí)候出錯(cuò)。錯(cuò)誤一：出現(xiàn)存儲(chǔ)單元與控制地址總線和控制數(shù)據(jù)總線上時(shí)高低線接反。解決辦法：根據(jù)排線的顏色，分清高低電平錯(cuò)誤二：對(duì)于CLO信號(hào)單元的這條線接錯(cuò)，接到開(kāi)關(guān)單元。解決辦法：將CPLD中的CLO與信號(hào)單元的CLO對(duì)的連線。當(dāng)設(shè)立輸入單元的數(shù)據(jù)位00000011時(shí)是，運(yùn)行出現(xiàn)輸出單元為80。（2）在第二次運(yùn)行時(shí)將全部的錯(cuò)誤連線改正后，重新加載程序到芯片上和加載文獻(xiàn)，但是發(fā)現(xiàn)沒(méi)