基于Quartus_II的微程序控制簡_....doc

基于Quartus II的微程序控制簡易計算機的設(shè)計顧 暉，王禮春，成 耀（南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226019）【摘 要】 本文借助于Quartus II軟件在計算機上仿真設(shè)計了一臺微程序控制的簡易計算機，通過介紹電路仿真的主要流程，我們可以加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識?！娟P(guān)鍵詞】 Quartus II EDA 微程序控制 計算機0 引言Quartus II是由美國Altera公司開發(fā)的，是一款功能比較強的EDA工具軟件，它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其功能齊全，簡單易用1。我們借助Quartus II6.0現(xiàn)有的器件，綜合設(shè)計了一個簡易計算機系統(tǒng)，并使用Quartus II6.0完成仿真2，通過仿真波形展示該系統(tǒng)指令的執(zhí)行流程，以及微指令的控制方法。1 簡易計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及功能模塊設(shè)計一臺微程序控制的簡易計算機系統(tǒng)包含以下幾個模塊3：圖（1） 微程序控制的簡易計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖a) 運算模塊，由ALU (兩片74181)，數(shù)據(jù)寄存器DR1,DR2（兩片74273）以及數(shù)據(jù)緩沖器ALU_BUF (一片74244)構(gòu)成，完成DR1與DR2的各種運算；b) 存儲模塊，由RAM(一片lpm_ram_dp0),RAM_BUF(一片74273),AR(一片74273)構(gòu)成，由AR提供地址，完成RAM 的存取數(shù)據(jù)操作；c) 程序計數(shù)器模塊，由PC(兩片74161),PC_BUF(一片74244)構(gòu)成，完成保存指令地址，以及提供RAM存取操作所需地址(包含存取數(shù)據(jù)與指令)；d) 微程序控制模塊，由IR(一片74273)，微存儲器(一片lpm_rom0),指令譯碼器(三片74273),以及一片74138（完成組合譯碼功能）構(gòu)成，完成系統(tǒng)的控制功能；e) 輸入模塊，由IN_BUF(一片74244)構(gòu)成，完成輸入端IN0IN7的數(shù)據(jù)輸入功能；f) 時序電路，由集成計數(shù)器（一片74161）及三八譯碼器（一片74138）構(gòu)成，可產(chǎn)生時序信號。微程序控制的簡易計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖請參考圖（1）。1.1 時序電路3 4時序電路見圖（1.1）。各個端口功能如下：a) R_CLK，時序電路的原始時鐘，用來產(chǎn)生三個連續(xù)的時鐘脈沖IR_CP,ROM_CP,TR_CP；b) START，啟動鍵，低電平時有效；c) IR_CP，一個微指令周期的第一個上升沿，為指令寄存器IR的時鐘信號；d) ROM_CP，一個微指令周期的第二個上升沿，為微存儲器ROM及地址寄存器AR共用的時鐘信號；e) TR_CP，一個微指令周期的第三個上升沿，為指令譯碼器，數(shù)據(jù)寄存器DR1、DR2，寄存器R0及RAM存儲器共用的時鐘信號。說明 ：該時序電路利用集成計數(shù)器74161的計數(shù)循環(huán)特性，通過選擇三八譯碼器74138來產(chǎn)生三個連續(xù)的脈沖信號，以形成一個微指令周期。因本系統(tǒng)只是設(shè)計簡易計算機系統(tǒng)，所以未設(shè)計RESET鍵。1.2 微程序控制器模塊3 4控制器模塊譯碼后輸出的控制信號見圖（1.2）。各控制端功能如下：a) 05號控制端，輸出下一條微指令在微存儲器中的地址；b) 6號控制端LDR0，R0寄存器的時鐘使能信號，高電平時有效；c) 7號控制端，指示是否有下一條微指令，若有則執(zhí)行下一條微指令，若無，則執(zhí)行下一條指令；d) 810號控制端，采取組合譯碼方式，分別用來選擇控制端PC_BUF , ALU_BUF,IN_BUF,RM_BUF,以及R0寄存器的輸出使能端，均為低電平時有效，當(dāng)組合譯碼輸出為000時表示不選擇任何控制端；e) 11號控制端LDRM，RAM存取操作時鐘使能信號；f) 12號控制端LDAR，AR送地址操作的時鐘使能信號；g) 13號控制端LDDR2，數(shù)據(jù)寄存器DR2的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發(fā)；h) 14號控制端LDDR1，數(shù)據(jù)寄存器DR1的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發(fā)；i) 15號控制端LDPC，程序計數(shù)器PC的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發(fā)；j) 16號控制端LOAD，程序計數(shù)器PC的同步并行置數(shù)端，低電平有效，若要完成同步并行置數(shù)，必須要維持此信號到程序計數(shù)器PC的時鐘信號上升沿到來之后；k) 17號控制端W，RAM的讀寫控制端，高電平時為寫，低電平時為讀；l) 18號控制端CN0，運算器的低位進位端。低電平為有進位，高電平時為無進位（注：只有在算術(shù)運算時是有效的）；m) 19號控制端M，高電平時控制運算器執(zhí)行算術(shù)運算，低電平時控制運算器執(zhí)行邏輯運算； n) 2023號控制端S0S3，組合控制運算器執(zhí)行不同的運算，如:1001時可以執(zhí)行加（在19M號控制端為低電平，18號控制端CN0為高電平時有效）。說明：微程序的輸出控制端口（除六條微地址接口外）均是與其它模塊相連接的控制端口，因此對其他模塊的控制端口不再作進一步的闡述。1.3 運算器模塊4 5運算器模塊的控制端口有:M,CN0,S0S3,N_AU,N_IN,詳細(xì)說明請見控制器模塊，模塊結(jié)構(gòu)請見圖(1.3)。1.4 存儲器模塊存儲器模塊的結(jié)構(gòu)請見圖(1.4)，其各個控制端口已在控制器模塊中作了詳細(xì)說明。1.5 數(shù)據(jù)顯示燈2 4為了調(diào)試時的方便，在設(shè)計過程中添加了一些數(shù)據(jù)顯示燈，如下所示: a) DR1_OUT0DR1_OUT7，數(shù)據(jù)寄存器DR1的顯示燈； b) DR2_OUT0DR2_OUT7, 數(shù)據(jù)寄存器DR2的顯示燈；c) IR0IR7，指令寄存器IR的顯示燈；d) BUS0BUS7，總線的數(shù)據(jù)顯示燈；e) TR_OUT0TR_OUT23，指示當(dāng)前譯碼后的微控制信號的顯示燈；f) CN8_ALU,運算器的最高位進位端。2 簡易計算機系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)4 62.1 工程的建立 a) 在Quartus 環(huán)境下，打開菜單File，選擇子菜單New Project Wizard后，按照向?qū)Т翱诘奶崾?，在窗口中正確輸入有關(guān)的路徑名和項目名稱后，按下“ Finish”按鈕，即可完成項目的新建工作；b) 創(chuàng)建一個.dbf文件：選擇FileNew,打開“新建”窗口：在“Device Design Files”頁，選中“Block Diagram/Schematic File”項后，按下“OK”按鈕即可打開原理圖編輯器，繪制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，參圖1.11.5；c) 由于該系統(tǒng)用到存儲器，因而還需分別創(chuàng)建一個24位的和一個8位的.hex（或.mif）文件。2.2 編寫指令與微碼系統(tǒng)運行必然需要指令，由于該系統(tǒng)是由微程序控制的，所以還需要編寫微碼。a) 對8位的.hex（或.mif）RAM存儲器編寫程序即指令，各條指令在微指令存儲器中如圖(2)，這里編寫了最常用的五條指令；b) 對24位的.hex（或.mif）ROM存儲器編寫微碼，控制各個模塊執(zhí)行不同的操作，五條指令的微碼如圖(3)，其中前面兩條為完成取指令的通用微碼，即每條指令都要調(diào)用的，最后一條指令(地址為:FFH)是為初始啟動時引導(dǎo)系統(tǒng)去取指令并執(zhí)行后續(xù)指令服務(wù)的) 。2.3 指令的格式3該系統(tǒng)設(shè)計使用了五條指令，分別為輸入指令I(lǐng)N，加法指令A(yù)DD, 寫指令STA, 讀指令OUT,跳轉(zhuǎn)指令JMP，字長均為8位，其格式及功能如下:a) 輸入指令I(lǐng)N：為單字長指令，其功能是將數(shù)據(jù)開關(guān)的8位數(shù)據(jù)輸入到R0寄存器；b) 加法指令A(yù)DD: 為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器中的值與內(nèi)存中地址為第二個操作數(shù)的內(nèi)容加起來，并將結(jié)果存入R0寄存器中；c) 寫指令STA：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器中的值,存儲到以第二個操作數(shù)為地址的內(nèi)存單元中；d) 讀指令OUT：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數(shù)地址，其功能是將以第二個操作數(shù)為地址的內(nèi)存單元中值讀到數(shù)據(jù)總線并顯示；e) 跳轉(zhuǎn)指令JMP：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數(shù)地址，其功能是程序無條件跳轉(zhuǎn)到第二個字指定的內(nèi)存單元地址。 2.4 微指令的格式 當(dāng)系統(tǒng)建好后，微程序控制器的大部分結(jié)構(gòu)也就隨之確定了。 該系統(tǒng)采用了水平型微指令格式，微命令編碼直接表示法與字段直接譯碼法相混合的編碼方法，后續(xù)微地址由標(biāo)志位判定，后續(xù)微碼、后續(xù)指令自動互斥選擇執(zhí)行。2.5 調(diào)試并仿真4以上完成了系統(tǒng)的繪制及編碼工作，接下來對其進行以下幾步調(diào)試。a) 分別完成RAM與ROM的.hex（或.mif）文件，保存后并編譯；b) 調(diào)試無錯后再創(chuàng)建一個.vwf文件，并添加相應(yīng)控制結(jié)點及數(shù)據(jù)顯示燈，然后調(diào)制適當(dāng)?shù)牟ㄐ?見圖(2)后，再進行仿真；c) 系統(tǒng)的仿真波形如圖（3），該圖給出了系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行輸入指令I(lǐng)N，加法指令A(yù)DD,寫指令STA，讀指令OUT，跳轉(zhuǎn)指令JMP的執(zhí)行過程。3 結(jié)束語通過該系統(tǒng)的設(shè)計，對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，常采用的方法就是將其分成各個模塊來實現(xiàn)，這樣可以很大程度上簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計以及實現(xiàn)上的難度，充分發(fā)揮了化繁為簡的作用。通過使用Quartus II6.0對整個系統(tǒng)進行整體分析、模塊設(shè)計、模塊整合、編譯仿真等操作，我們可以察覺Quartus II6.0充分發(fā)揮了設(shè)計上的優(yōu)勢，簡單易用，便于整合，方便修改。參 考 文 獻1覃貴禮,譚呈祥. 用Quartus II實現(xiàn)數(shù)字電路實驗中的仿真J. 南寧師范高等專科學(xué)校學(xué)報,2005(2):71-73.2鄭亞民,許敏. 基于Quartus II的帶計時器功能的秒表系統(tǒng)設(shè)計J. 電子工程師, 2005(01):59-62.3王愛英. 計算機組成與結(jié)構(gòu)M. 北京：清華大學(xué)出版社,2001.4 Altera公司. Quartus II 軟件EB/OL./products/software/products/quartus2/qts-index.html, 2007-8-18/2007-8-26.5東南大學(xué)計算機學(xué)院. ALU部件 EB/OL. /people/xuzaolin/Chapter3/untitled14.html, 2007-5-11/2007-8-23.6李雪梅. 用Quartu II4.0設(shè)計數(shù)字電路過程的介紹J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005(06):35-38.Design of Simple Computer based on Quartus IIGu Hui，Wang Li-chun，Cheng Yao（School of Computer Science & Technology, Nantong University, Jiangsu, China 226019）Abstract: In this article, the authors use Quartus II to design a simpl