計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告3 華東理工大學(xué)

實(shí)驗(yàn)名稱基于RISC技術(shù)的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)信息樓420實(shí)驗(yàn)日期2012-12-14一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誖ISC處理器的指令系統(tǒng)特征和一般設(shè)計(jì)原則了解精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和區(qū)別。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC、唐都實(shí)驗(yàn)箱三、實(shí)驗(yàn)原理指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)采用RISC思想設(shè)計(jì)的模型機(jī)選用常用的八條指令：MOV、ADD、NOT、AND、OR、LOAD、SAVE和JMP作為指令系統(tǒng)，尋址方式采用寄存器尋址及直接尋址兩種方式。指令格式采用單字節(jié)及雙字節(jié)兩種格式：?jiǎn)巫止?jié)指令（MOV、ADD、NOT、AND、OR、JMP）格式如下:76543210OP-CODERSRD其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規(guī)定:RS或RD選定的寄存器00R001R110R2指令（LOAD、SAVE）格式如下：R3雙字節(jié)7654(1)32(1)10(1)7—0(2)OP-CODERSRDP其中括號(hào)中的1表示指令的第一字節(jié)，2表示指令的第二字節(jié)，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，P為操作數(shù)地址，占用一個(gè)字節(jié)。根據(jù)上述指令格式，表2-3-1列出了本模型機(jī)的八條機(jī)器指令的具體格式、匯編符號(hào)和指令功能：其中LOAD和SAVE指令中的M位用來判斷操作的對(duì)象，當(dāng)M=0時(shí)LOAD和SAVE指令是對(duì)IO進(jìn)行操作，當(dāng)M=1時(shí)LOAD和SAVE指令是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作。

作二四譯碼來實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖2-3-1所示。IOYOA6Y-CY10NA1Y11NB16Y12N作二四譯碼來實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖2-3-1所示。IOYOA6Y-CY10NA1Y11NB16Y12NA2lY13NB2MY20NG1NY21NG2NY22NY23NI0Y1I0Y2I0Y3由于用的是地址總線的高兩位進(jìn)行譯碼，I/O地址空間被分為四個(gè)區(qū)，如表2-3-2所示:表2-3-2I/O地址空間分配A7A6選定地址空間00IOYOOO-3F01IOY140-7F10IOY2'80-BF11IOY3C0-FF

RISC處理器的模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本處理器的時(shí)鐘及節(jié)拍電位如圖2-3-2所示，數(shù)據(jù)通路是采用雙總線結(jié)構(gòu)來構(gòu)建RISC處理器的，在通路中除控制器單元由FPGA單元來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)外，其它單元全是由這里實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的單元電路來實(shí)現(xiàn)的。IS1IS2:控制器設(shè)計(jì)"：:（1）數(shù)據(jù)通路圖中的控制器部分需要在FPGA：〒設(shè)計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)操作及運(yùn)行結(jié)果（2）用VHDL語言設(shè)計(jì)RISC子模塊的功能描述程序。三、實(shí)驗(yàn)操作及運(yùn)行結(jié)果（1）實(shí)驗(yàn)步驟1、把時(shí)序與操作臺(tái)單元的“MODE”短路塊拔掉，使系統(tǒng)工作在三節(jié)拍模式，按實(shí)驗(yàn)連接圖接線。注意：連線時(shí)實(shí)驗(yàn)箱電源要處于關(guān)閉狀態(tài)。2、確保接線正確后，將實(shí)驗(yàn)箱連到電腦：電源線+并口Jtag下載線（打印機(jī)口），并打開實(shí)驗(yàn)箱電源。3、在軟件QuartusII8.0中選擇“File->OpenProject”選項(xiàng)，按照以下路徑查找實(shí)驗(yàn)過程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:\TangDu\CMX\FPGA\RISC\RISC.sof”，打開該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項(xiàng)，單擊“Start”完成下載。如果下載成功在界面Progress中可以看到100%的標(biāo)志字樣。4、用串口電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和電腦打印機(jī)口，接通電源，打開軟flCMX，進(jìn)行串口測(cè)試（如果串口線未連接或者串口線故障則自動(dòng)彈出錯(cuò)誤信息對(duì)話框）：端口一串口選擇一COM1或者COM2；然后，測(cè)試串口通訊是否成功：端口一串口測(cè)試。5、如果串口通訊成功，在PC機(jī)上運(yùn)行TD-CMX，進(jìn)入聯(lián)機(jī)軟件界面，選擇菜單命令【實(shí)驗(yàn)】一【RISC實(shí)驗(yàn)】”，打開數(shù)據(jù)通路圖。6、在CMX軟件界面中，通過選擇【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】一【裝載】將文件C:\TangDu\CMX\Sample\RISC模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).txt裝入指令區(qū)。數(shù)據(jù)裝載成功會(huì)在輸出區(qū)有提示信息。7、上述txt文件將以下程序段讀入指令區(qū)：地址（H）內(nèi)容（H）助記符說明0050LOADIN—R001400251LOADIN—R103400406MOVR1—R20518ADDR0+R2—R00660SAVER0—OUT

07800858LOAD[10]—R009100A70JMPR0—PC10008、采用兩種方法來觀察數(shù)據(jù)流動(dòng):1）將時(shí)序與操作單元的開關(guān)KK1、KK3置為‘運(yùn)行’檔，開關(guān)KK2置為‘單拍’檔。先按動(dòng)CON單元的總清零開關(guān)CLR，程序從00H地址開始運(yùn)行。按動(dòng)ST按鈕單步運(yùn)行，每按動(dòng)一次ST按鈕，觀察數(shù)據(jù)流通圖，分析數(shù)據(jù)與控制信號(hào)是否正確（是否實(shí)現(xiàn)了第7步的程序段功能）。在執(zhí)行程序時(shí)，需要在IN單元輸入兩個(gè)數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)最開始的兩條LOAD指令，IN輸入的數(shù)據(jù)分別送入R0、R1）。2）采用單節(jié)拍運(yùn)行方式匚叫來觀察數(shù)據(jù)流通。每條指令運(yùn)行三個(gè)周期。觀察數(shù)據(jù)流通圖，分析數(shù)據(jù)與控制信號(hào)是否正確。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果問題1：接線問題解決方法:因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)相對(duì)于第一個(gè)比較復(fù)雜，所以開始運(yùn)行不成功，后來發(fā)