硬件课程设计报告

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1、硬件课程设计报告姓名：学院：计算机科学与技术专业：网络工程时间：2010年12月17日题目：基于RISC处理器结构的模型机一、设计目的随着计算机技术要求的不断发展，为增强计算机系统的功能，简化编译器的工作量，更好的 改善计算机的性能，减少系统的辅助开销，提高计算机的运行速度和效率，计算机结构设计 者一直在致力研究为系统结构提供更好的硬件支持。设计RISC及其一般遵循以下原则：1、确定指令系统时，选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令。2、指令长度固定，指令格式限制在1-2种之内，大大减少指令系统的寻址方式，一般不超 过2种。3、大部分指令在一个及其周期内完成。4、只有取、存指

2、令可以访问存储器，其他指令的操作一律在寄存器间进行，大大增加寄存 器的数量。5、一硬布线控制为主，很少户不用微程序控制。6、特别重视编译优化工作，支持高级语言的实现。二、设计内容与要求1、选用使用频率比较高的五条基本指令：MOV ADD STORE LOAD JMP，成功执行后添加 一条指令，如：SUB。2、寻址方式采用寄存器寻址级直接寻址两种方式。3、指令格式采用单字长级双字长两种格式。4、设计不采用微程序，在CPLD中设计控制逻辑。操作码RSRD单字长指令格式:双字长指令格式:操作码RSRDADDR其中RS RD为不同状态，则选中不同的寄存器:RS 或 RD寄存器00R001R110R21

3、1AC指令系统如下：MOV RS, RDADD RS,RDJMP RSLOAD ADDR ,RDSTORE RS,ADDRMOV ADD JMP三条指令为单周期执行完成，STORE LOAD两条指令为两周期执行完成， ADDR为存或取数的直接地址。第一及其周期完成取操作码、作标记；第二机器周期完成 取直接地址并完成取数或存数。5、CPLD芯片设计顶层模块电路图（top.sch）7574737270696876757473AAAAJ* JWR(35)CPLDLDAR(33)LD(32)PC_B(28)LDPC(26)。I7I6I5I4I3I2HI0T4T3T2T1PLD LORD LDR1 LD

4、R2 RD_B rCb R2_B LDPC LDIR LDAC LDDR ALU_B PCB LD LDARCLR CS WRI67AD7 -ADOEXT BUSLDARLOADR7PC_BI LDPCBOADDRESS UNIT(N7(75)IIN&68)LDIR(47)S3(IO)Cii(5)ALU_B(45) LDAC(40) LDDR(4|)0。0I7 I oLDIR INS UNTTS3Jn唱ALU_B AUJ3 |LDDRIB0LDDR2ALU UNITLDR2(13)LDRI(12)LDRO(ll)R2_B(17)R1_B(I6)RO-B(I5)00。 。00R2RIR0BBBL

5、DLDLD_ _B7 i lBOREG UNITTl(83)T2(82)T3(81)T480)TSITS2TS3TS4STATE UNITCE5 MAIN MEM IW/RIA 7 AO DOOtlII-oo404?45283211121315161?2647-|87Zw-i6T:H23SIGNAL UNTTW/RUNIT三、设计原理目前在RISC处理机中主要采用如下的技术：1、延时转移技术在RISC处理机中，指令一般采用流水线方式工作。取指令和执行指令并行运行。如果取指 令和执行指令需要一个周期，那么，在正当情况之下，每个周期就能执行完一条指令。人后， 在遇到转移指令时，流水就有可能断流。由

6、于转移的目的地址要在指令执行完后才能产生， 这是下一条指令已经取出来了，因此，必须把取出来的指令作废，并按照转移地址重新取出 正确的指令。为解决上述问题，可以使比一期自动调整指令序列，在转移地址后插入一条有 效的指令，而转移指令好像被延迟执行了，这种技术成为延迟转移技术。2、重叠寄存器窗口技术由于RISC程序中有很多的CALL和RETURN指令，因而在执行CALL指令时，必须保存 现场，另外，还要把执行子程序的参数从主程序中传输出去，在执行RETURN指令时，要 把保存的结果传输加主程序。为了尽量减少访问存储器的次数，在RISC处理机中采用重叠 寄存器宣传品技术。3、硬连实现为主，微程序固件为

7、辅主要采用硬联逻辑来实现指令系统，对于那些必须的少量的复杂指令，可以采用微程序实现。 微程序便于实现复杂指令，便于修改指令系统，增强了机器的灵活性和适应性，但执行速度 低。4、强调优化编译系统设计编译器必须努力优化寄存器的分配和使用，提高寄存器的使用效率，减少访问存储器的次数， 为了使RISC处理机中的流水线高效率的工作，尽量不断流，编译器不必分析所放弃的数据 流和控制流，当发现有可能断流时，要调整指令序列，对有些可以通过流量重新命名来消除 数据相关的，要尽量消除，这样，可以提高流水线的执行效率，缩短程序的执行时间。四、设计结果及分析1、指令执行流程（ 启动）PCAR口RAM-* R1T3pc

8、+ 跆RA&-r-2、RISC数据通路RISC处理器3、ABEL程序的基本格式Module模块名/模块开始title标题说明Declarations说明部分器件名device 器件的工业标号;低层模块名INTERFACE （输入一输出）；例化名 FUNCTIONL_ BLOCK低层模块名；信号名，信号名pin 引脚号，引脚号istype 属性;信号名，信号名node istype属性;常量说明语句;集合的定义;宏定义语句;逻辑关系描述部分Equations/逻辑方程truth-table（输入变量一 输出变量）真值表;state-diagram（状态变量）状态图描述;test-vectors（

9、输入变量一输出变量）测试向量表;测试向量部分end模块名模块结束MODULE低层模块名4、PLD的ABEL程序MODULE PLDT1,T2,T3,T4 PIN ;I7,I6,I5,I4,I3,I2,I1,I0 PIN ;PC_B, ALU_B ,CS,WR PIN ;LD,LDAR,LDAC,LDIR,LDPC PIN ;CLR, R0_B,R1_B,R2_B PIN ;LDDR, LDR0,LDR1,LDR2 PIN ;MOV,ADD,JMP,LOAD,STA NODE ISTYPE COM;RS_B, LDRi NODE ;F NODE ISTYPE REG;EQUATIONSMOV=!

10、I6&!I5&!I4;ADD=!I6&!I5&I4;JMP=!I6&I5&!I4;LOAD=!I6&I5&I4;STA=I6&!I5&!I4;F.AR=CLR;F.CLK=!(LOAD#STA)&T4);F:=!F.FB;PC_B=(!T1&!(LOAD&T3)&!(STA&T3)#F;CS=(!T2&!F)#(!T1&!(T2&LOAD)&!(T3&STA)&F);LDIR=T3&!F;LDPC=!T2&!(JMP&T3);LDDR=(!ADD&T4);ALU_B=!(ADD&T4);WR=!(T3&STA&F);LD=!(JMP&(T3#T4)#F;LDAR=T2#LOAD&T4&!F#S

11、TA&T4&!F;RS_B=(!(MOV&T3)&!(ADD&T3)&!(JMP&(T4#T3)&!F)#(!(STA&T3)&F);LDRi=(!(MOV&T3)&!(ADD&T4)#F)&(!(LOAD&T2)#!F);R0_B=RS_B#I3#I2;R1_B=RS_B#I3#!I2;R2_B=RS_B#!I3#I2;LDAC=LDRi#!I1#!I0;LDR0=LDRi#I1#I0;LDR1=LDRi#I1#!I0;LDR2=LDRi#!I1#I0;END5、操作步骤(1)在ispDesignEXPERT系统中建立RISC设计项目，包括顶层模块原理图(top.sch), PLD 子模块程

12、序，经编译，将生成的JED文件下载至CPLD芯片ispLSI1032中。ispEXPERT使用提示a、建立新设计项目选 FileNew project 一命名b、选择器件在 source in project 表中双击器件名一选择 1K、1032、60、84PLCCc、添加源文件选中器件一 选 SOURCE 的 NEW选 AEL_HDL 或 chematicd、编译、仿真选中源文件一 双击右边的Compile logic 一选中测试向量文件一 双击Compile Test Vectors 一 双击 Functional Smulation 单击“！ ”(2) 按所给的接线图连接线路。(3) 用

13、所设计的指令系统，编写一段机器指令程序。(4) 运行CMPP20进行联机，进入软件界面，将上述程序装载到实验系统的RAM中。(5) 装载机器指令后，选择RISC通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。(6) 修改顶层模块电路图(top.sch)，添加一条指令SUB。修改后图如下：4:J.-D : 17171717171616IN l FW1662CLRPLDLORD LQR1 LDRS RD P R1_B R2_B Lopr LOIR LUAC LDDR ALLLB PC B 匚口 LDAR CSI37EER为I?_ _.iw-E5IEI7D-E6、测试程序$P0030LOAD 40,R0 40-R0$P0140$P0203MOV RO,Ac R0-Ac$P0310ADD Ac,R0 R0+Ac-R0$P0440STORE RO,0A R0-0A$P050A$P0630LOAD 41,R0 41-R0$P0741$P0820JMP R0 R0-PC$P4034$P4100五、对这个设计题目的评价该实验连线较复杂，需要仔细与耐心，首次使用ABEL语言、ispEXPERT软件，能使 学生对ABEL语言有一定了解，并熟悉ispEXPERT软件的应用，对进一步学习起到启蒙作 用。