相聯(lián)存儲器的設(shè)計

1、沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計 報 告課程設(shè)計名稱：計算機組成原理課程設(shè)計課程設(shè)計題目：相聯(lián)存儲器的設(shè)計院（系）：計算機學(xué)院專 業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)班 級：學(xué) 號：姓 名：木代佳人，日月同輝指導(dǎo)教師：楊 華完成日期：2010年1月15日目 錄第1章總體設(shè)計方案21.1 設(shè)計原理21.2 設(shè)計思路31.3 設(shè)計環(huán)境4第2章詳細設(shè)計方案52.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)5創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件5器件的選擇與引腳鎖定5編譯、綜合、適配62.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)62.2.1 輸入寄存器的實現(xiàn)7存儲體的設(shè)計與實現(xiàn)82.2.3 比較寄存器的實現(xiàn)10查找結(jié)果寄存器的實現(xiàn)122.3 仿真調(diào)試14第3章編程下載

2、與硬件測試153.1 編程下載153.2 硬件測試及結(jié)果分析15參考文獻17附錄（電路原理圖）18第1章 總體設(shè)計方案1.1 設(shè)計原理相聯(lián)存儲器(Content Addressed Memory)，它是一種按內(nèi)容訪問的存儲器，可以根據(jù)數(shù)據(jù)記錄地一部分內(nèi)容查找其它部分的內(nèi)容。在相聯(lián)存儲器中，每個存儲的數(shù)據(jù)記錄都是固定長度的字。存儲字中的每個個位或者字段都可以作為檢索的依據(jù)（關(guān)鍵字）。相聯(lián)存儲器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。它主要實現(xiàn)將輸入寄存器的信息與存儲體的信息作比較，相匹配的置為“1”，不匹配的置為“0”， 將結(jié)果送入查找結(jié)果寄存器(SRR)中，并輸出結(jié)果。輸入寄存器.比較寄存器.查找結(jié)果寄存器

3、譯碼選擇電路存儲體圖1.1 相聯(lián)存儲器原理框圖1.2 設(shè)計思路根據(jù)相聯(lián)存儲器的原理特點，即按照內(nèi)容尋址，因此可以將相聯(lián)存儲器分為以下幾個部分：輸入寄存器，譯碼選擇電路，存儲體，比較寄存器，查找結(jié)果寄存器。輸入寄存器：用來存放檢索字，字的位數(shù)和相聯(lián)存儲器的存儲單元位數(shù)相等。譯碼選擇電路：用38譯碼器進行譯碼電路選擇，如當置輸入端B2B1B0為“000”，時鐘脈沖信號為高電位時，可以向存儲體第一個單元地址輸入八位二進制的字信息；同時其他的存儲單元的信息被屏蔽掉。存儲體（AMU）：用于存放待檢索的數(shù)據(jù)，由高速半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，以求快速存取。比較寄存器（CR）：將檢索的內(nèi)容和從存儲體中讀出的所有單元內(nèi)

4、容的相應(yīng)位進行比較，如果有某個存儲單元的信息和檢索項一致，就把符合寄存器的相應(yīng)位置“1”，表示該字匹配 ；否則置“0”，表示不匹配。查找結(jié)果寄存器（SRR）：用來存放按檢索項的信息檢索從存儲體中與之符合的單元地址，其位數(shù)等于相聯(lián)存儲器的存儲單元位數(shù)，每一位對應(yīng)一個存儲單元，位的序數(shù)即為相聯(lián)存儲器的單元地址。 設(shè)存儲體由8個字構(gòu)成，字長為8位的二進制數(shù)。CR為比較寄存器，字長也為8位 ，存放要比較的兩個數(shù)。首先向輸入寄存器輸入一個八位二進制的字，然后通過三八譯碼器選擇電路依次將八個八位二進制數(shù)輸入到存儲體中。將輸入到輸入寄存器的字通過比較寄存器分別與存儲體里的八個字檢索比較，

5、若匹配，則輸出信號置1，否則置0。匹配信號通過查找結(jié)果寄存器（SRR）輸出，我們就能找到匹配的那個字。若存儲體八個單元存儲的數(shù)據(jù)分別為00001000、00001001、00010000、00010001、00010010、00010011、00010001， 00010000，輸入寄存器中的存儲數(shù)據(jù)是00010001，通過比較器CR進行比較之后，可以知道發(fā)現(xiàn)檢索數(shù)據(jù)與存儲體中的第四個單元和第八個單元的內(nèi)容一致，所以結(jié)果查找寄存器SRR中的第四個單元和第八個單元置為“1”，其余的置“0”，則匹配結(jié)果輸出為：01001000。1.3 設(shè)計環(huán)境·硬件環(huán)境：偉福COP2000型計算機組成原

6、理實驗儀、XCV200實驗板、微機。·EDA環(huán)境：Xilinx foundation f3.1設(shè)計軟件、COP2000仿真軟件。圖1.2Xilinx foundation f3.1設(shè)計平臺圖 1.3 COP2000計算機組成原理集成調(diào)試軟件第2章 詳細設(shè)計方案2.1 頂層方案圖的設(shè)計與實現(xiàn)該設(shè)計方案以原理圖輸入方式設(shè)計出頂層方案圖，以此實現(xiàn)相聯(lián)存儲器相關(guān)的邏輯功能，在XCV200可編程邏輯芯片上實現(xiàn)電路。在Xilinx foundation f3.1開發(fā)環(huán)境上設(shè)計好電路圖，把輸入/輸出信號分別定位到XCV200芯片指定的引腳上，完成芯片的引腳的鎖定。2.1.1創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件根據(jù)

7、相聯(lián)存儲器的相關(guān)功能，頂層圖形文件由以下器件組成：十個寄存器（FD8CE），一個3：8譯碼器（D3-8E）、八個CR比較器（COMP8）、二十個輸入端口和八個輸出端口封裝而成的一個完整的設(shè)計實體。該方案在Xilinx foundation f3.1軟件環(huán)境下進行軟件的設(shè)計，實現(xiàn)頂層圖形文件。 2.1.2器件的選擇與引腳鎖定（1）器件的選擇由于所提供的硬件設(shè)計環(huán)境是基于偉福COP2000型計算機組成原理實驗儀和XCV200實驗板，因此采用的目標芯片為Xlinx XCV200可編程邏輯芯片。（2）引腳鎖定根據(jù)引腳分配表，把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號依次安排到Xlinx XCV200芯片指定的引

8、腳上，實現(xiàn)芯片的引腳鎖定，各信號及Xlinx XCV200芯片引腳對應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。相聯(lián)存儲器內(nèi)部信號XCV200芯片引腳IBUS0P103IBUS1P102IBUS2P101IBUS3P100IBUS4P97IBUS5P96IBUS6P95IBUS7P94B0P73B1P72B2P71AMBUS0P87AMBUS1P86AMBUS2P85AMBUS3P84AMBUS4P82AMBUS5P81AMBUS6P80AMBUS7P79CLKP213OBUS0P110OBUS1P111OBUS2P203OBUS3P185OBUS4P184OBUS5P1780BUS6P152OBUS7P147表2

9、.1 信號和芯片引腳對應(yīng)關(guān)系2.1.3編譯、綜合、適配利用Xilinx foundation f3.1設(shè)計軟件對頂層圖形文件進行編譯，并盡量調(diào)整各器件和線的位置使其合理美觀，連接完畢后進行仿真，待仿真成功后編譯文件，編譯成功后即可將文件下載到芯片中。2.2 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)本相聯(lián)存儲器是由輸入寄存器，選擇比較電路，比較寄存器，存儲體，查找結(jié)果寄存器組成的，設(shè)有20個輸入端口和8個輸出端口實現(xiàn)其輸入和輸出。各部分元件均分別單獨實現(xiàn)功能并仿真成功之后，再將各部分模塊進行連接，經(jīng)整體整合仿真成功后，完成了所需電路實體。2.2.1 輸入寄存器的實現(xiàn)輸入寄存器字長為八位，用于存放檢索數(shù)據(jù)，本方案用一

10、個8位的D觸發(fā)器來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)圖設(shè)計如圖2 .1所示圖2.1 輸入寄存器圖模塊圖2.2 輸入寄存器圖結(jié)構(gòu)圖圖2.3輸入寄存器單元結(jié)構(gòu)圖圖2.4存儲單元仿真2.2.2存儲體的設(shè)計與實現(xiàn)該存儲體一共有8個寄存器組成，每個寄存器的字長為8位。利用3：8譯碼器的輸出端分別控制8個寄存器的CE端，使之可以分別對每一個存儲器進行寫入操作。例如：譯碼器輸入端B0,B1,B2為010時，其輸出端D2輸出為“1”，使得與D2端相連的寄存器的使能端為“1”，并且CLK信號為高電位時，即可將數(shù)據(jù)總線AMBUS7AMBUS0的數(shù)據(jù)輸入到此寄存器中。如此可以最終實現(xiàn)對8個寄存器的分別寫入操作。（1） 存儲體及譯碼選擇電路

11、結(jié)構(gòu)圖設(shè)計圖2.5 存儲體及譯碼電路結(jié)構(gòu)圖（2）實現(xiàn)方法利用3：8譯碼器的輸入端B0B1B2分別控制每一個寄存器的CE使能端及時鐘脈沖端產(chǎn)生的脈沖信號實現(xiàn)對八個存儲單元的信息輸入。將譯碼器的八個輸出端分別與八個寄存器的使能端相連，實現(xiàn)逐個信息輸入。（3）功能仿真對存儲體的輸入輸出進行仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能。仿真圖如圖2.3所示：圖2.6 存儲體輸入仿真圖2.2.3 比較寄存器的實現(xiàn)當檢索內(nèi)容與待檢測內(nèi)容分別寫入到輸入寄存器與存儲體以后，需要通過比較寄存器把檢索數(shù)據(jù)與存儲體中每一個存儲單元中的數(shù)據(jù)進行匹配比較，如果發(fā)現(xiàn)其某個存儲單元中的數(shù)據(jù)和檢索數(shù)據(jù)完全一致，就把符合寄存器的相應(yīng)位置“1”，表示

12、其該數(shù)據(jù)即為想要檢索的數(shù)據(jù)，否則置“0”，表示存儲體中沒有符合匹配要求的數(shù)據(jù)。（1） 比較寄存器的實現(xiàn)：比較模塊的部件主要用數(shù)據(jù)比較器來實現(xiàn)，存儲體中有8個寄存器，所以比較器也相應(yīng)的需要8個，字位數(shù)也是8位。匹配比較的結(jié)果將其輸出到結(jié)果查找寄存器中。如圖2.7所示。圖2.7 比較寄存器元件圖圖2.8比較寄存器的內(nèi)部實現(xiàn)圖2.9比較寄存器邏輯模塊圖（2） 實現(xiàn)方法比較線路的實現(xiàn)方法是：先將輸入寄存器的輸出總線與8個比較器的輸入總線相連接，存儲體中的8個寄存器的輸出總線與8個比較器另一個輸入總線相連接。此時隨著脈沖信號的連續(xù)進行，存儲體內(nèi)每輸入一個存儲單元，就將其接到一個比較器的另一端與輸入寄存器

13、中的數(shù)據(jù)進行比較，相同時置“1”，不同時置“0”。直至將所有存儲單元都比較完為止。（3）功能仿真圖2.10比較寄存器的仿真圖2.2.4查找結(jié)果寄存器的實現(xiàn)查找結(jié)果寄存器同樣由一個8位寄存器來實現(xiàn)，與輸入寄存器原理一樣。輸入總線與比較器輸出結(jié)果相連接，用來存放比較匹配的數(shù)據(jù)。（1）查找寄存器的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計圖2.11 查找結(jié)果寄存器圖圖2.12 查找結(jié)果寄存器圖結(jié)構(gòu)圖（2）實現(xiàn)方法查找結(jié)果寄存器的實現(xiàn)方法是：當檢索的內(nèi)容和待檢索的內(nèi)容通過比較寄存器匹配比較以后，其匹配信號通過查找結(jié)果寄存器輸出，對于匹配的信號輸出“1”，不匹配的信號輸出“0”。 （3）功能仿真 圖 2.13查找結(jié)果寄存器的仿真結(jié)果2

14、.3 仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗證設(shè)計電路邏輯功能、時序的正確性，本設(shè)計中主要采用功能仿真方法對設(shè)計的電路進行仿真。（1）建立仿真波形文件及仿真信號選擇在進行功能仿真時，首先建立仿真波形文件，選擇仿真信號，對選定的輸入信號設(shè)置參數(shù)，當脈沖遇到上升沿時選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表2.2所示。表2.2仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置輸入信號輸出信號IBUS（16進制）AMBUS（16進制）B2B1B0CLKOBUS（16進制）10080001FF1009001100101001010410110111041012100104101310110410101101441011111144（2）功能仿真結(jié)果與分析圖

15、2.14 功能仿真波形結(jié)果由圖2.14的功能仿真的結(jié)果與表2.2的參數(shù)設(shè)計進行比較可知，仿真結(jié)果正確。第3章編程下載與硬件測試3.1 編程下載利用Xilinx ISE的編程下載功能，將得到的gmk1689.bit文件下載到XCV200實驗板的XCV200可編程邏輯芯片中。3.2 硬件測試及結(jié)果分析利用XCV200實驗板進行硬件功能測試。相聯(lián)存儲器的輸入數(shù)據(jù)通過XCV200實驗板的輸入開關(guān)實現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過XCV200實驗板的LED指示燈實現(xiàn)，其對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。XCV200芯片引腳信號XCV200實驗板XCV200芯片引腳信號XCV200實驗板 IBUS0K00AMBUS4K14 IBU

16、S1K01AMBUS5K15 IBUS2K02AMBUS6K16 IBUS3K03AMBUS7K17 IBUS4K04CLKCLOCKIBUS6K06OBUS0 A0IBUS7K07OBUS1A1B0K20OBUS2A2B1K21OBUS3A3B2K22OBUS4A4AMBUS0K10OBUS5A5AMBUS1K11OBUS6A6AMBUS2K12OBUS7A7AMBUS3K13表3.1XCV200實驗板信號對應(yīng)關(guān)系利用表2.2中的輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個測試輸出結(jié)果，即用XCV200實驗板的開關(guān)K20、K21、K22控制輸入數(shù)據(jù)，開關(guān)K00K07控制輸入寄存器的內(nèi)容輸入，開關(guān)K10K17控

17、制存儲體中內(nèi)容的輸入。同時觀察A0A7的輸出，得到如表3.2所示的硬件測試結(jié)果。輸入信號輸出信號K00K07K10K17K22K21K20CLKA0A700010000000010000001000000000001000000001001001100000000000100000001000001010000010000010000000100010111000001000001000000010010100100000100000100000001001110110000010000010000000100001101010001000001000000010001111101000100

18、表3.2硬件測試結(jié)果輸入寄存器存的數(shù)是對應(yīng)的十六進制數(shù)10，存儲體中存的數(shù)分別對應(yīng)的是08，09，10，11，12，13，10，11。對表3.2與表2.2的內(nèi)容進行對比，可以看出硬件測試結(jié)果為01000100，對應(yīng)十六進制的數(shù)44，由此可以看出測試的結(jié)果是正確的，說明電路設(shè)計正確合理。圖3.1為仿真下載的結(jié)果。圖3.1 數(shù)據(jù)的cop2000仿真下載結(jié)果參考文獻1 曹昕燕.EDA技術(shù)實驗與課程設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社，20062 胡越明.計算機組成與設(shè)計M.北京：科學(xué)出版社，20063 王愛英.計算機組成與結(jié)構(gòu)(第4版)M.北京：清華大學(xué)出版社，20064白中英.計算機組成原理M.科學(xué)出版社出版社，20085 高有堂.EDA技術(shù)及應(yīng)用實驗M.清華大學(xué)出版社，20066