硬件课程设计报告 RISC模型机的设计

来源：互联网发布：远望谷公司怎么样知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/21 06:32

硬件课程设计报告
RISC模型机的设计

一、设计目的

对所学计算机硬件课程进行系统化，进一步提高硬件设计及动手能力。

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。

（2）寻址方式采用寄存器寻址及直接寻址两种方式。

（3）指令格式采用单字长及双字长两种格式。

（4）设计不采用微程序，在CPLD中设计控制逻辑。

三、设计原理

1. 指令格式

单字长指令格式为：

操作码

双字长指令格式为：

操作码

ADDR

其中RS、RD为不同状态，则选中不同的寄存器：

RS或RD

寄存器

指令系统如下：

MOV RS, RD

ADD RS, RD

JMP RS

LOAD [ADDR], RD

STORE RS, [ADDR]

MOV,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。第一机器周期完成取操作码、作标记；第二机器周期完成取直接地址并完成取数或存数。

2. 指令周期执行流程

3. RISC模型机数据通路图

图中PLD模块用able语言设计来实现，它是用来产生各部件的控制信号。其余模块根据设备上提供的资源用硬布线来构成。

四、具体设计及结果分析

1. 实验步骤

（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子模块程序，经编译，将生成的JED文件下载至CPLD芯片ispLSI1032中。

（2）按所给的接线图连接线路。

（3）用所设计的指令系统，编写一段机器指令程序。

（4）运行CMPP20进行联机，将上述程序装载到实验系统的RAM中。

（5）将时序单元的STOP开关拨至RUN状态，STEP开关拨至STEP状态，通过按START微动开关，来单步机器指令，可通过地址显示灯检查指令执行的地址，运行完后检查RAM中的运算结果。

实验中若将时序单元（STATE　UNIT）中的Φ接至信号源单元（SIGNAL　UNIT）的H23上则可用来单步执行机器指令操作；若将Φ接至KK2+上则可单步执行每个节拍来调试实验程序，其方法是将STEP开关拨至EXEC状态后，按一下START启动键，然后每按动一次KK2键产生一个节拍。

（6）联机运行程序时，进入软件界面，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。

2. CPLD芯片设计

顶层模块电路图(top.sch)

risc顶层原理图

3. RISC接线图

4. PLD的ABEL程序

MODULE PLD

T1,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';

EQUATIONS

MOV=!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#STA&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;

END

5. 调试程序

各指令操作码(I₆I₅I₄)：

MOV 000

ADD 001

JMP 010

LOAD 011

STA 100

一段功能伪代码：

$P00 LOAD R0

$P01 08

$P02 MOV R0 AC

$P03 ADD RO

$P04 STORE RO

$P05 09

$P06 MOV R0 R1

$P07 JMP R1

$P08 01

$P09 FF

对应的机器码实现：

$P0030

$P0108

$P0203

$P0314

$P0440

$P0509

$P0601

$P0725

$P0801

$P09FF

6. 调试结果

说明：主要标出了变化的寄存器（或ram）和源（或目的）寄存器(或ram)

ALU

MEM

Load [08] R0

MOV R0 AC

ADD AC R0

STORE R0 [09]

MOV R0 R1

JMP R1