1 引言

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，計算機系統(tǒng)中使用的硬件部件基本上都采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，這些電路的設計、驗證和測試必須使用先進的工具軟件，使硬件設計逐漸趨于軟件化，加快硬件設計和調(diào)試的速度[1],計算機硬件作為一個典型的復雜數(shù)字系統(tǒng)，其設計方法發(fā)生了根本性的變革。EDA(Electronic Design Automation ,電子設計自動化)技術就是一種自動完成將用軟件的方式設計的電子系統(tǒng)形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眯酒囊婚T新技術[2].

TDN-CM++實驗裝置是計算機組成原理及系統(tǒng)結構課程的專用實驗箱，但存在硬件結構基本固定、CPU 的各個組成部件全部做好、以驗證型的實驗為主、學生只需按書中要求撥動相應開關就能完成實驗等問題，達不到在整體上把握計算機的基本原理和工作流程的目的，實驗效果不盡人意。

根據(jù)目前計算機和集成電路技術的發(fā)展現(xiàn)狀，利用TDN-CM++實驗裝置上復雜可編程邏輯器件ispLSI1032 芯片，設計一個定向型計算機硬件系統(tǒng)，包括運算器、控制器、存儲器的設計，以達到彌補實驗裝置和實驗項目不足的目的。

2 基于EDA 技術的計算機硬件系統(tǒng)設計過程

設計一臺完整的計算機硬件系統(tǒng)主要經(jīng)過如下幾個階段：

2.1 確定指令系統(tǒng)

該系統(tǒng)的指令系統(tǒng)如表1所示。指令和數(shù)據(jù)都采用8位表示。源操作數(shù)采用存儲器直接尋址方式，目的操作數(shù)采用隱含尋址。

表1 指令系統(tǒng)

2.2 總體結構與數(shù)據(jù)通路

該系統(tǒng)總體結構與數(shù)據(jù)通路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構與數(shù)據(jù)通路圖

2.3 狀態(tài)確定

該系統(tǒng)指令周期是6個時鐘周期，前是三個時鐘周期即狀態(tài)S0~S2為指令的讀取周期，后3個時鐘周期即S3~S5為指令的執(zhí)行周期。

2.4 設計指令執(zhí)行的流程

該系統(tǒng)指令執(zhí)行流程如表2所示。

表2 指令執(zhí)行流程

2.5 編程、調(diào)試、運行、仿真

編程、編譯、綜合所設計的工程文件，建立測試向量進行功能仿真。將生成的JEDEC 文件下載至實驗儀器的ispLSI 芯片中。按設計的線路圖進行連線。系統(tǒng)連線圖如圖2所示。把程序?qū)懭雰?nèi)存中。調(diào)試運行。

圖2 系統(tǒng)連線圖

3 各功能部件的VHDL源程序

3.1 內(nèi)存ROM功能模塊的VHDL實現(xiàn)

對于圖1中ispLSI 芯片功能圖中內(nèi)存ROM 16X8的功能采用VHDL實現(xiàn)代碼如下。

rom16x8: process(ce)

begin

if ce='0' then --使能端ce 為邏輯“0”時，才能進行數(shù)據(jù)的讀取命令。

case addrbus is

when “0000”=>

maindata<=“10100000”;

when others=>

maindata<=“00000000”;

end case;

end if; end process rom16x8;

3.2 CPU功能模塊的VHDL實現(xiàn)

對于圖1 中ispLSI 芯片功能圖中內(nèi)CPU 功能模塊的VHDL 實現(xiàn)流程如圖3 所示，它是整個模型機的核心。

圖3 CPU 功能模塊VHDL 實現(xiàn)流程

計算機硬件系統(tǒng)的仿真根據(jù)ROM的中存放的程序不同，這個模型機完成的操作也就不同，下面將通過建立編寫仿真測試向量，來進行邏輯功能仿真，檢驗設計是否實現(xiàn)了需要完成的功能。 對實現(xiàn)20-6+2運算的工作程序及其在ROM內(nèi)存映像(起始地址0H)如表3所示：

表3工作程序

進行功能仿真首先需要用ABEL-HDL語言編寫獨立的測試向量文件：

MODULE model

clk,reset,outport,led,wr pin;

Test_vectors ([clk,reset]->[outport,led,wr]) [.x.,1]->[.x.,.x.,.x.];

@REPEAT 100 {[.c.,0]->[.x.,.x.,.x.];} [.x.,1]->[.x.,.x.,.x.];

END

利用上面建立的測試向量文件，其仿真結果如圖4所示。

由仿真波形可以看到在執(zhí)行OUT 指令時送出20-6+2的運算結果為1C,同時使輸出給OUTPUT DEVICE 的信號led='0',wr也由1->0.在執(zhí)行HLT指令時run 由1->0,模型機停機。這與理論結果完全相符。

圖4 仿真結果

結束語

作者創(chuàng)新點為：提出了在TDN-CM++實驗裝置中的復雜可編程邏輯器件ispLSI1032芯片上，設計定向型計算機硬件系統(tǒng)(包括運算器、控制器、存儲器)的結構、設計方法及具體實現(xiàn)，彌補了TDN-CM++實驗裝置的不足，為進一步理解計算機原理和組成以及系統(tǒng)結構方面的知識創(chuàng)造了條件，為嵌入式系統(tǒng)等的應用打好基礎。

參考文獻：

1、李山山，湯志忠，周繼群。基于FPGA的開放式教學CPU的設計與測試系統(tǒng)[J].計算機工程與應用，2005;14:98-100,198

2、譚會生，張昌凡。EDA技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001年

3、張楷，湯志忠。通用l6位CPU的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2003;39(32)：ll6-ll7,l8l

4、徐成，等?；贓DA與FPGA技術的數(shù)字電路實驗與設計[J].電氣電子教學學報，2002,24:92-93

5、楊小龍，編著。計算機組成原理與系統(tǒng)結構《實驗教程》[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004

6、符興昌。 EDA技術在數(shù)字系統(tǒng)設計分析中的應用[J].微計算機信息。2006年，05Z期：267-269,155

7、彭保，范婷婷，馬建國。基于Verilog HDL語言的FPGA設計[J].微計算機信。2004,10: 80-82