計(jì)算機(jī)組成原理FPGA實(shí)驗(yàn)操作步驟及源碼

FPGA簡(jiǎn)介TH-union（FPGA）中CPU系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，我們選擇了xinlinx公司的SPARTAN—II系列的芯片（型號(hào)是XC2S200）。該器件容量為20萬(wàn)門，內(nèi)部有2352個(gè)CLB，14個(gè)4Kb的RAM塊，208腳PQFP封裝形式，支持在系統(tǒng)編程（in-systemprogrammable），實(shí)現(xiàn)了TH-union計(jì)原16系統(tǒng)中CPU的全部功能。在進(jìn)行這項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，我們已經(jīng)充分考慮到如何照顧到現(xiàn)有教學(xué)資源（如教材、系統(tǒng)監(jiān)控程序、軟件等）的穩(wěn)定性。首先，保證了新設(shè)計(jì)的教學(xué)機(jī)的指令系統(tǒng)，與TH-union計(jì)原16系統(tǒng)的指令系統(tǒng)有良好的兼容性；其次，在構(gòu)思新型教學(xué)計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)的過程，適當(dāng)?shù)叵騎H-union計(jì)原16系統(tǒng)的實(shí)際組成靠攏，盡量地在二者之間有一個(gè)平滑的過渡。這就意味著，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的CPU系統(tǒng)的外特性是嚴(yán)格限定在與TH-union計(jì)原16系統(tǒng)是嚴(yán)格意義上的同一體系結(jié)構(gòu)的CPU系統(tǒng)，差別僅表現(xiàn)在CPU具體實(shí)現(xiàn)有所不同，包括選用的器件類型和集成度不同、所用設(shè)計(jì)手段、設(shè)計(jì)過程有所不同，體現(xiàn)出來的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)也不盡相同。TH-union（FPGA）是TH-union+的一個(gè)重要組成部分。它和TH-union計(jì)原16系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，軟件互相兼容°TH-union（FPGA）和TH-union計(jì)原16系統(tǒng)各自的CPU通過總線連接TH-union+主板上的內(nèi)存、接口等構(gòu)筑了雙CPU的TH-union+系統(tǒng)。TH-union（FPGA）系統(tǒng)的總體組成如圖所示。由圖可以看到TH-union（FPGA）教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由以下幾個(gè)基本部分組成：運(yùn)算器部件、控制器部件、內(nèi)存儲(chǔ)器系統(tǒng)和串行接口線路。TH-union（FPGA）教學(xué)機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)配置TH-union（FPGA）教學(xué)機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)是：機(jī)器字長(zhǎng)16位（也可設(shè)計(jì)成8位字長(zhǎng)的另外一個(gè)新的系統(tǒng)），即運(yùn)算器、主存、數(shù)據(jù)總線、地址總線、指令等都是16位。完整的指令系統(tǒng)被劃分為基本指令和擴(kuò)展指令兩部分，支持多種基本尋址方式。其中的基本指令已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，用于設(shè)計(jì)監(jiān)控程序和用戶的常規(guī)匯編程序，保留的多條擴(kuò)展指令供實(shí)驗(yàn)者自己實(shí)現(xiàn)。3.主存最大尋址空間是18K字（16位），基本容量為8K字的ROM和2K字的RAM存儲(chǔ)區(qū)域。另外的8K字用于完成存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。FPGA芯片和存儲(chǔ)器芯片之間可以通過分開的地址總線和分開的數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)連接，這在實(shí)現(xiàn)分開的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方案中是必要的。運(yùn)算器是參照Am2901芯片的組成和功能來設(shè)計(jì)的，ALU實(shí)現(xiàn)8種算術(shù)與邏輯運(yùn)算功能，內(nèi)部包括16個(gè)雙端口讀出、單端口寫入的通用寄存器，和一個(gè)能自行移位的乘商寄存器。設(shè)置C（進(jìn)位）、Z（結(jié)果為0）、V（溢出）和S（符號(hào)位）四個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位?？刂破鞑捎糜策B線控制器方案實(shí)現(xiàn)，也可修改成微程序控制器。實(shí)驗(yàn)人員可方便地修改已有設(shè)計(jì)，或加進(jìn)若干條自己設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的新指令，新老指令同時(shí)運(yùn)行。主機(jī)上安裝有二路INTEL8251串行接口，可直接接計(jì)算機(jī)終端，或接入一臺(tái)PC機(jī)作為自己的仿真終端。選用了MAX202倍壓線路，以避免使用+12V和-12V電源。兩路的串行接口的接插座安放在機(jī)箱后側(cè)板以方便接線插拔和機(jī)箱蓋的打開關(guān)閉。在主板上設(shè)置有一些撥數(shù)的開關(guān)和微型開關(guān)、按鍵和指示燈，支持最低層的手工操作方式的輸入/輸出和機(jī)器調(diào)試。實(shí)驗(yàn)機(jī)硬件系統(tǒng)，全部功能部件分區(qū)域劃分在大一些的水平放置的一塊印制電路板的不同區(qū)域，所有器件都用插座插接在印制板上，便于更換器件。實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)使用單一的5V、最大電流3A的直流模塊電源，所耗電流在1.5?2.5A之間。電源模塊安裝在水平電路板右上角位置，交流220V通過電源接線插到機(jī)箱后側(cè)板，經(jīng)保險(xiǎn)絲、開關(guān)連接到電路板上，開關(guān)安放在機(jī)箱右側(cè)靠后位置，方便操作且比較安全。板上安裝了很多發(fā)光二極管指示燈，用于顯示重要的數(shù)據(jù)或控制信號(hào)的狀態(tài)。機(jī)箱和電路板之間的全部接線都經(jīng)過接插座，便于整機(jī)的生產(chǎn)、調(diào)試和維修。此外還設(shè)置了輔助電路和擴(kuò)展電路兩個(gè)輔助部分，各個(gè)部分被劃分在電路板的不同區(qū)域。在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)的非流水線的CPU系統(tǒng)以不使用指令流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的CPU系統(tǒng)為例，介紹設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的完整CPU系統(tǒng)所需的各個(gè)部件模塊。VHDL語(yǔ)言支持層次結(jié)構(gòu)，一個(gè)完整的系統(tǒng)可以由一個(gè)頂層模塊和多個(gè)部件模塊組成。該CPU系統(tǒng)被分成頂層模塊（CPU）和3個(gè)部件（Am2901、controllor、data_IB）模塊，各自的文件名分別是CPU.vhd、Am2901.vhd、controllor.vhd、data_IB.vhd，模塊之間的接口關(guān)系如下圖所示。

Memory/L...IO.Port?…TH-union(FPGA)系統(tǒng)中的單芯片CPU的組成結(jié)構(gòu)在FPGA單芯片中，既可以設(shè)計(jì)成非流水的CPU系統(tǒng)，通過編輯、編譯下載后能實(shí)現(xiàn)與左邊常規(guī)的中小規(guī)模器件設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相同的功能，又可以設(shè)計(jì)成帶流水的CPU系統(tǒng)，還可以設(shè)計(jì)成高速緩存(CACHE)0除了實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算機(jī)組成原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能外，F(xiàn)PGA還能完成各種簡(jiǎn)單的時(shí)序邏輯電路和組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)EDA的功能。FPGA實(shí)驗(yàn)操作步驟一、管腳定義：1、TH-UNION+系統(tǒng)中FPGA管腳定義：DataBus0--DataBus15的管腳分別是3——10,14——18,20——22AddressBus0——AddressBus15的管腳分別是23,24,27,29——31,33——37,41——45ExAddressBus0——ExAddressBus12的管腳分別是187——189,191——195,199——203ExAddressBus13ExAddressBus15管腳沒有焊線ExDataBus0——ExDataBus15的管腳分別是162——168,172——176,178——181/MIO,REQ,/WE的管腳分別是205,204,206CLK管腳pin182,Reset管腳pin160,Pin56與Pin90、Pin148不能用，已經(jīng)短接在電源接口為指示燈提供電源。Pin46——Pin49,Pin150——Pin152,Pin154,Pin161可以作為輸入輸出管腳。2、TH-UNION（優(yōu)能）系統(tǒng)中FPGA管腳定義：DataBus0——DataBus15的管腳分別是20——24,27,29——31,33——37,41,42AddressBus0AddressBus15的管腳分別是310,1418,43,44,46ExAddressBus0——ExAddressBus12的管腳分別是189,191,188,192——195,199——204ExAddressBus13ExAddressBus15管腳沒有焊線ExDataBus0——ExDataBus15的管腳分別是163——168,172——176,178——181,187/MIO,REQ,/WE的管腳分別是134,135,142CLK管腳pin182,Reset管腳pin160,Pin56與Pin90、Pin148不能用，已經(jīng)短接在電源接口為指示燈提供電源。Pin206可編程作為ExRom的/CS,Pin146可編程作為ExRom的/OE,Pin150可編程作為8251的/RD,Pin151可編程作為8251的/CS,Pin152可編程作為8251的C/D,Pin154可編程作為8251的/WR,Pin161可編程作為8251SIO2的CLK,Pin162可編程作為8251SIO2的/RXC,二、實(shí)驗(yàn)撥號(hào)開關(guān)設(shè)置及程序下載：1、TH-UNION+系統(tǒng)中FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中左下角六個(gè)撥號(hào)開關(guān)設(shè)置為:“0XX1X1”（撥號(hào)開關(guān)向上撥為“1”，向下?lián)転椤?”,不確定為“X”；2、TH-UNION（優(yōu)能）系統(tǒng)中FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中左下角撥號(hào)開關(guān)設(shè)置為:FPGA為“1”,SW1左邊五個(gè)撥號(hào)開關(guān)設(shè)置為:“1XX0X”；3、接上串口、電源和下載線，打開電源；4、若已經(jīng)安裝了XilinxISE軟件，則點(diǎn)擊開始/程序/XilinxISE6/Accessories/iM