相聯(lián)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1、沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)名稱：計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：相聯(lián)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院（系）：計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級：學(xué) 號：姓 名： 指導(dǎo)教師:完成日期:沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄第1章總體設(shè)計(jì)方案21.1設(shè)計(jì)原理21.2設(shè)計(jì)思路21.3設(shè)計(jì)環(huán)境3第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案52.1總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 52.1.1創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件 52.1.2器件的選擇與引腳鎖定 52.1.3編譯、綜合、適配62.2功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)62.2.1輸入寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 72.2.2存儲(chǔ)體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)82.2.3檢索寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 92.3仿真調(diào)試.11.2.3.1建

2、立仿真波形文件及仿真信號選擇 122.3.2功能仿真結(jié)果與分析12第3章 編程下載與硬件測試 133.1編程下載133.2硬件測試及結(jié)果分析13參考文獻(xiàn)16附 錄17-I-沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第1章總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)原理相聯(lián)存儲(chǔ)器(Content Addressed Memory )即可按地址尋址，又可按內(nèi)容(通 常是某些字段)尋址，為與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器區(qū)別，又稱為按內(nèi)容尋址的的存儲(chǔ)器。相 聯(lián)存儲(chǔ)器的每個(gè)字由若干字段組成，每個(gè)字段描述了一個(gè)對象的屬性，也稱為一 個(gè)內(nèi)容。相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。它主要實(shí)現(xiàn)將輸入寄存器的信息與存 儲(chǔ)體的信息作比較，相匹配的置為“ 1”，不匹配的置

3、為“ 0”，并輸出結(jié)果。輸入存儲(chǔ)器檢索寄存器-3-圖1.1相聯(lián)存儲(chǔ)器原理框圖結(jié)果輸出譯 碼 選 擇 電 路1.2設(shè)計(jì)思路根據(jù)相聯(lián)存儲(chǔ)器的原理特點(diǎn)，即按照內(nèi)容尋址，因此可以將相聯(lián)存儲(chǔ)器分為 以下幾個(gè)部分：輸入寄存器，譯碼選擇電路，存儲(chǔ)體，檢索寄存器。輸入寄存器：用來存放檢索字，其位數(shù)與相聯(lián)存儲(chǔ)器的字長相等。譯碼選擇電路：用3-8譯碼器進(jìn)行譯碼電路選擇，如當(dāng)置輸入端 A2A1AC為 “000”，譯碼器，可以向存儲(chǔ)體第一個(gè)單元地址輸入八位二進(jìn)制的字信息；同時(shí) 其他的存儲(chǔ)單元的信息被屏蔽掉。第1章總體設(shè)計(jì)方案存儲(chǔ)體（AM）用于存放待檢索的數(shù)據(jù)，由高速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成，以求快 速存取。檢索寄存器（CR

4、:把檢索項(xiàng)和所有存儲(chǔ)單元相應(yīng)位進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相等，輸出高電平1,否則輸出低電平0。設(shè)存儲(chǔ)體由8個(gè)字構(gòu)成，字長為8位的二進(jìn)制數(shù)。CR為檢索寄存器，字長也 為8位，存放要比較的數(shù)。首先向輸入總線輸入一個(gè)八位二進(jìn)制的字，然后通過三八譯碼器選擇電路依次將八個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)輸入到存儲(chǔ)體中。將輸入到輸入寄 存器的字通過檢索寄存器分別與存儲(chǔ)體里的八個(gè)字檢索比較，若匹配，則輸出信 號置1,否則置0,我們就能找到匹配的那個(gè)字。若存儲(chǔ)體八個(gè)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別為00010001、10001001、00010000、10011001、10010010 00010011、00010001，00011000，輸入寄

5、存器中的存儲(chǔ)數(shù) 據(jù)是10010010,通過檢索寄存器器 CR進(jìn)行比較之后，可以知道發(fā)現(xiàn)檢索數(shù)據(jù)與 存儲(chǔ)體中的第五個(gè)單元的內(nèi)容一致，所以結(jié)果輸出為：00001000。1.3設(shè)計(jì)環(huán)境硬件環(huán)境：偉福C0P200型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀、XCV200實(shí)驗(yàn)板、微機(jī)。EDA 環(huán)境：Xilinx foundation f3.1 設(shè)計(jì)軟件、C0P2000仿真軟件圖 1.2 Xilinx foundation f3.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)圖1.3COP2000計(jì)算機(jī)組成原理集成調(diào)試軟件沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案2.1總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)方案以原理圖輸入方式設(shè)計(jì)出頂層方案圖，以此實(shí)

6、現(xiàn)相聯(lián)存儲(chǔ)器相關(guān)的邏輯功能，在XCV200可編程邏輯芯片上實(shí)現(xiàn)電路。在 Xilinx foundation f3.1 開發(fā)環(huán)境上設(shè)計(jì)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(jì)文件根據(jù)相聯(lián)存儲(chǔ)器的相關(guān)功能，頂層圖形文件由以下器件組成：九個(gè)寄存器（FD8CE）, 個(gè)3： 8譯碼器（D3-8E）、八個(gè)CR比較器（COMP8）、二十個(gè)輸 入端口和八個(gè)輸出端口圭寸裝而成的一個(gè)完整的設(shè)計(jì)實(shí)體。該方案在Xil inxfoun dation f3.1軟件環(huán)境下進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)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

7、擇由于所提供的硬件設(shè)計(jì)環(huán)境是基于偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀和XCV200實(shí)驗(yàn)板，因此采用的目標(biāo)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 Xli nxXCV200芯片指定的引腳上，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定，各信號及刈nx XCV200芯片 引腳對應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。表2.1信號和芯片引腳對應(yīng)關(guān)系相聯(lián)存儲(chǔ)器內(nèi)部信號XCV200芯片引腳CBUS0P103CBUS1P102CBUS2P101CBUS3P100CBUS4P97CBUS5P96CBUS6P95CBUS7P94A0P73A1P72A2P71INBUS0

8、P87INBUS1P86INBUS2P85INBUS3P84INBUS4P82INBUS5P81INBUS6P80INBUS7P79CLKP213OUT0P110OUT1P111OUT2P203OUT3P185OUT4P184OUT5P178OUT6P152OUT7P1472.1.3編譯、綜合、適配利用Xilinx foundation f3.1設(shè)計(jì)軟件對頂層圖形文件進(jìn)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(jìn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)本相聯(lián)存儲(chǔ)器是由輸入寄存器，選擇比較電路，檢索寄存器，存儲(chǔ)體組成的, 設(shè)有

9、20個(gè)輸入端口和8個(gè)輸出端口實(shí)現(xiàn)其輸入和輸出。各部分元件均分別單獨(dú)實(shí) 現(xiàn)功能并仿真成功之后，再將各部分模塊進(jìn)行連接，經(jīng)整體整合仿真成功后，完 成了所需電路實(shí)體。2.2.1輸入寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.2.1.1功能描述輸入寄存器字長為八位，用于存放檢索數(shù)據(jù)，本方案用一個(gè)8位的D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。2.2.1.2電路圖FDSCEOB-UF0-9-圖2.1輸入模塊電路圖2.2.1.3功能仿真在進(jìn)行功能仿真時(shí)，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(dāng)脈沖遇到上升沿時(shí)選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表2.2所示lOns/div100ns14 ULin =IS 0 DnsIo ULI 三0.0

10、11 11 II I 11OFXI?CLK.1 -.QBUS73：00ZU?表2.2仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置輸入信號輸出信號CBUS（16 進(jìn)制）CLKQBUS（16 進(jìn)制）OF1OF3F13F圖2.2輸入模塊仿真圖由圖2.2的仿真的結(jié)果與表2.2的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較可知，仿真結(jié)果正確。222存儲(chǔ)體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.221功能描述該存儲(chǔ)體一共有8個(gè)寄存器組成，每個(gè)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(gè)寄存器的CE端，使之可以分別對每一個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫 入操作。例如：譯碼器輸入端 A0,A1,A2為010時(shí)，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

11、CLK信號為高電位時(shí)，即可將數(shù) 據(jù)總線INBUS7INBUS0的數(shù)據(jù)輸入到此寄存器中。如此可以最終實(shí)現(xiàn)對8個(gè)寄存器的分別寫入操作。2.2.2.2電路圖圖2.3存儲(chǔ)體模塊電路圖2.2.2.3功能仿真在進(jìn)行功能仿真時(shí)，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(dāng)脈沖遇到上升沿時(shí)選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表2.3所示其中，129到136是分別是8個(gè)存儲(chǔ)體的輸出。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案表2.3仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置輸入信號輸出信號INBUS(16 進(jìn)制)A2A1A0CLKQBUSFF0001129FF0F00111300F00010113200F80111

12、132F81C10011331C2F101111342FF01101135F06F11111366Fldns/div|1100ns i2 00 ns 1300ns14 00ns 1500ns0 口 ns |700ns|300i(E0i n 11111111 m J i 111i n H 111111111 d 1 ii 11111 ii 11 n 1111111 L 111l l i 11 ii lli il 111111 m 1 Li n lBINBUS7 (hex);CsGFFlOFKOO)(F81C炷 EF0花F11BBBBEBBBCLK.I - A0.1 -A1.I -A2 I -$1

13、29.Q7.(hex$130 Q7.(hex$131.Q7.(hex$132 Q7,(hex $I33.Q7.(hex$134.Q7.(hex $135 Q?.(hex$136.Q7.(hex|;-3CsC-?0F12F&go Zfpoo000000000000圖2.4存儲(chǔ)體模塊仿真圖由圖2.4的仿真的結(jié)果與表2.3的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較可知，仿真結(jié)果正確。2.2.3檢索寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.2.3.1功能描述當(dāng)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(chǔ)體以后，需要通過檢 索寄存器把檢索數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)體中每一個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，如果發(fā)現(xiàn)其 某個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)和檢索數(shù)據(jù)完全一致，就把符合寄

14、存器的相應(yīng)位置“1”,表示其該數(shù)據(jù)即為想要檢索的數(shù)據(jù)，否則置“0”，表示存儲(chǔ)體中沒有符合匹配要求的數(shù)據(jù)。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案223.2電路圖圖2.5存儲(chǔ)體模塊電路圖2.2.3.3功能仿真在進(jìn)行功能仿真時(shí)，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(dāng)脈沖遇到上升沿時(shí)選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表2.4所示其中，QBUS為檢索數(shù)據(jù)，Q0到Q7為存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)。300ns3SOns400ns1 1 !l 1 1 1 H 111 i 1111 i i11 k 11 111 ii250nsM 111 k 11UU0.0LlluH 5ns/div15 0ns1

15、11 Illi1100nsII i I I 11 i I|150mII i 111 111OOtls圖2.6存儲(chǔ)體模塊仿真圖表2.4仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)QBUS（16 進(jìn)制）Q0-Q7（16 進(jìn)制）0-7（ 2 進(jìn)制）3CQ07F00Q1F810Q2E020Q30130Q40140Q5OF50Q63C61Q7FF70由圖2.6的仿真的結(jié)果與表2.4的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較可知，仿真結(jié)果正確。2.3仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路邏輯功能、時(shí)序的正確性，本設(shè)計(jì)中主要采用功 能仿真方法對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。2.3.1建立仿真波形文件及仿真信號選擇在進(jìn)行功能仿真時(shí)，首先建立仿真波形文件，

16、選擇仿真信號，對選定的輸入信號設(shè)置參數(shù)，當(dāng)脈沖遇到上升沿時(shí)選定的仿真信號和設(shè)置的參數(shù)如表2.5所示表2.5仿真信號選擇和參數(shù)設(shè)置輸入信號輸出信號CBUS（ 16 進(jìn)制）INBUS （ 16 進(jìn)制）A2A1A0CLKOUT0-7F7FF00010F7BF00110F7EF01010F7F701111F7FB10010F7FD10110F78311010F7C711110232功能仿真結(jié)果與分析圖2.7功能仿真波形結(jié)果由圖2.7的功能仿真的結(jié)果與表2.5的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較可知，仿真結(jié)果正-11-沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告第3章編程下載與硬件測試第3章編程下載與硬件測試3.1編程下載利用COP20

17、00仿真軟件的編程下載功能，將得到 hh.bit文件下載到XCV200 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件功能測試。相聯(lián)存儲(chǔ)器的輸入數(shù)據(jù)通過 XCV200實(shí)驗(yàn)板的輸入開關(guān)實(shí)現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過XCV200實(shí)驗(yàn)板的LED指示燈實(shí) 現(xiàn)，其對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。表3.1 XCV200實(shí)驗(yàn)板信號對應(yīng)關(guān)系XCV200芯片引腳信號XCV200實(shí)驗(yàn)板XCV200芯片引腳信號XCV200實(shí)驗(yàn)板IBUSOK00AMBUS4K14IBUS1K01AMBUS5K15IBUS2K02AMBUS6K16IBUS3K03AMBUS7K17IBUS4K04CLKCLO

18、CKIBUS6K06OBUS0A0IBUS7K07OBUS1A1B0K20OBUS2A2B1K21OBUS3A3B2K22OBUS4A4AMBUS0K10OBUS5A5AMBUS1K11OBUS6A6AMBUS2K12OBUS7A7AMBUS3K13禾I用表3.2中的輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個(gè)測試輸出結(jié)果，即用XCV200實(shí)驗(yàn)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控制存儲(chǔ)體中內(nèi)容的輸入。同時(shí)觀察 A0A7的輸出, 得到如表3.2所示的硬件測試結(jié)果。表3.2硬件測試結(jié)果輸入信號輸出信號K00 K07K10 K17K22K21K20C

19、LKA0 A700001111000010000001000000000000111100001001001100000000000011110001000001010000000000001111000100010111000000000000111100001111100100010000000011110001001110110001000000001111000100001101000100000000111100010001111100010000輸入寄存器存的數(shù)是對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)0F，存儲(chǔ)體中存的數(shù)分別對應(yīng)的是08，09，10，11，0F，13，10，11。對表3.2與圖3.1的內(nèi)

20、容進(jìn)行對比，可以看 出硬件測試結(jié)果為00010000,對應(yīng)十六進(jìn)制的數(shù)10,由此可以看出測試的結(jié)果是 正確的，說明電路設(shè)計(jì)正確合理。圖 3.1為仿真下載的結(jié)果。-15-FFGR IV200莖璽II存鱷Ill ll IIS5S4S3uu U U UU4B76BEE4B3B2時(shí)10|KT|Afi|jt5|A4|A3町改喪信號名靳f170,169r 168a 149? 153,154,15 156192,193? 194,19 199,2 叫 2D1? 20217 174? 173a 159?160p 161, L62? 163187? 205? 2063 207,208,167,186? 1762

21、15,216,217? 218? 220,221口 222,223 224? 228,229? 230? 231,232,234? 235 236? 237p 238? 0D3? 004,00 006,007 031? C42.046,052? 057,067,068? 074 020,021 p023?024? 025,026,027? 028 009,010,011,0)2? 013,017,018?019 078? 093P099?1D7? 108,109? 124? 125 141? 152p 1.78? 1E4? 185,203, 111J10 033? 034,0蕙 036? 03

22、8,039,040? 041 056? 055,054,053? 050,049,048?047 O63? C64p065?066? 070,011? 072? 073 O79? 080p081? 0E2? BE4R 08 086f087 O94? 095p096n 097? 100,101? 102f 103XCV200DataL：則DataK： 0M AddrL： OMAddrH： OM157171158189191o o o o o cs:価ED:BH:BL:RAM耐選擇&單平脈沖廣洼續(xù)脈沖111 J H? 116J.1 & 127； 130,132,134,139,)41110,113,11117312 128r L31n 133,138J 40EBHS3BB0K4: FFH 匹55o ,.s nB T-Eyl nB 0 NV- nffl 寸箜nuH g 3 s h g nB 嚴(yán)6IM nBK2: Q4H閨2 9 5 弓CM i 二i1L T_ T- T T T_ L L1QQQQBSBjEKl CFHC5)oooooooSBBB0BHBID:訕(1510CLOCK INT1213 工吒圖3.1硬件測試結(jié)果