基于EDA技術(shù)的定向型計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試必須使用先進(jìn)的工具軟件，使硬件設(shè)計(jì)逐漸趨于軟件化，加快硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試的速度[1]，計(jì)算機(jī)硬件作為一個(gè)典型的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本性的變革。EDA（Electronic Design Automation ,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)就是一種自動(dòng)完成將用軟件的方式設(shè)計(jì)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(shù)[2]。

　　TDN-CM++實(shí)驗(yàn)裝置是計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的專用實(shí)驗(yàn)箱，但存在硬件結(jié)構(gòu)基本固定、CPU 的各個(gè)組成部件全部做好、以驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)為主、學(xué)生只需按書中要求撥動(dòng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)就能完成實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題，達(dá)不到在整體上把握計(jì)算機(jī)的基本原理和工作流程的目的，實(shí)驗(yàn)效果不盡人意。

　　根據(jù)目前計(jì)算機(jī)和集成電路技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，利用TDN-CM++實(shí)驗(yàn)裝置上復(fù)雜可編程邏輯器件ispLSI1032芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)定向型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，以達(dá)到彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不足的目的。

　 2 基于EDA 技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

　　設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主要經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路

 　　該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路如圖1所示。

   圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(gè)時(shí)鐘周期，前是三個(gè)時(shí)鐘周期即狀態(tài)S0~S2為指令的讀取周期，后3個(gè)時(shí)鐘周期即S3~S5為指令的執(zhí)行周期。

　　2.4 設(shè)計(jì)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(yùn)行、仿真

　　編程、編譯、綜合所設(shè)計(jì)的工程文件,建立測(cè)試向量進(jìn)行功能仿真。將生成的JEDEC 文件下載至實(shí)驗(yàn)儀器的ispLSI 芯片中。按設(shè)計(jì)的線路圖進(jìn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于圖1中ispLSI 芯片功能圖中內(nèi)存ROM 16X8的功能采用VHDL實(shí)現(xiàn)代碼如下。
 
rom16x8: process(ce)
begin
if ce='0' then --使能端ce 為邏輯“0”時(shí)，才能進(jìn)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(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于圖1 中ispLSI 芯片功能圖中內(nèi)CPU 功能模塊的VHDL 實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示，它是整個(gè)模型機(jī)的核心。

      圖3 CPU 功能模塊VHDL 實(shí)現(xiàn)流程

　　計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的仿真根據(jù)ROM的中存放的程序不同，這個(gè)模型機(jī)完成的操作也就不同，下面將通過(guò)建立編寫仿真測(cè)試向量，來(lái)進(jìn)行邏輯功能仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)了需要完成的功能。 對(duì)實(shí)現(xiàn)20-6+2運(yùn)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(jìn)行功能仿真首先需要用ABEL-HDL語(yǔ)言編寫?yīng)毩⒌臏y(cè)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(cè)試向量文件，其仿真結(jié)果如圖4所示。

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

     圖4 仿真結(jié)果

　　結(jié)束語(yǔ)

　 　作者創(chuàng)新點(diǎn)為：提出了在TDN-CM++實(shí)驗(yàn)裝置中的復(fù)雜可編程邏輯器件ispLSI1032芯片上，設(shè)計(jì)定向型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器）的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法及具體實(shí)現(xiàn)，彌補(bǔ)了TDN-CM++實(shí)驗(yàn)裝置的不足，為進(jìn)一步理解計(jì)算機(jī)原理和組成以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)創(chuàng)造了條件，為嵌入式系統(tǒng)等的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。