Міністерство Освіти і Науки, Молоді та Спорту України
Національний Університет “Львівська Політехніка”
Кафедра СКС
з дисципліни “Проектування спеціалізованих комп’ютерних систем”
на тему: "Розробка VHDL – моделі комп’ютера ”.
Виконав:
ст. гр. СКСс - 11
Олег Петрович
Перевірив:
Тиханський Я.Д
Львів 2012
Анотація
Роль і значення комп`ютерів у сучасному житті загальновідомі. Апаратні методи розв`язку задач також важливі і у ряді випадків є незамінними. Багато задач, такі як моделювання динамічних об`єктів, керування рухом (особливо керування рухом сукупності об`єктів), обробка сигналів та зображень у реальному часі, реалістична комп`ютерна графіка і подібні, пов`язані з багатократним виконанням порівняно простих операцій, крім того потребують виконання до декількох мільярдів операцій на секунду.
Послідовне виконання великого числа елементарних кроків при комп`ютерному рішенні задачі займає відносно великий час. Крім того, незалежність апаратних засобів від складності задачі, що розв` язується, має і зворотною сторону – навіть для найпростіших задач необхідні блоки, що утворюють комп`ютер в цілому. Таким чином, прості задачі та задачі, що повинні розв`язуватися в реальному масштабі часу, можуть призвести до застосування апаратних варіантів розв`язку. Поняття «реальний час» означає, що результат повинен бути одержаний за обмежений інтервал часу, інакше він стає марним.
Зміст
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Технічне завдання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Структура мікрокомп`ютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Зовнішній інтерфейс мікропроцесора Gnome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Порти мікропроцесора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Інтерфейс із зовнішньою пам`ятю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Переведення мікропроцесора до початкового стану . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Програмна модель мікропроцесора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Програмно-доступні регістри . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Множина інструкцій мікропроцесора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Внутрішня структура мікропроцесора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Інформаційний тракт мікропроцесора Gnome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Цикли виконання команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
керуючий автомат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Висновки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Список літератури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Додаток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Вступ
Мета курсового проекту полягає в опануваннi методiв проектування вузлiв комп’ютерних систем на прикладi створення моделi однокристального комп`ютера з використанням мови апаратного опису VHDL, виконаннi симуляцiї з наступним тестуванням роботи мiкропроцесорної системи на функцiональному рiвнi. Розроблюваний унiверсальний однокристальний мікрокомп`ютер є рiзновидом унiверсальних комп`ютерів. Вiн мiстить усi стандартнi пристрої, необхiднi для реалiзацiї цифрової системи мiнiмальної конфiгурацiї, а саме – процесор, пам`ять команд, пам`ять даних, внутрiшнiй тактовий генератор. Основою мікрокомп`ютера, що проектується, є мiкропроцесор Gnome – 4-розрядний гiпотетичний неконвеєрний RISC мiкропроцесор, зi спрощеною системою команд та типiв адресування.
Основну увагу пiд час розробки мiкропроцесора придiлено проектуванню архiтектури з використанням мови апаратного опису VHDL, оскiльки при проектуваннi НВiС (надвеликих iнтегральних схем) з використанням рiвнiв архiтектурного, логiчного, топологiчного проектування успiх розробки найбiльшою мiрою залежить вiд результатiв попереднього, архiтектурного рiвня проектування. Вибраний спосiб побудови моделi пристрою за допомогою мови VHDL та iнструментального засобу Аctive-HDL фiрми Аldес забезпечує можливiсть швидкої модифiкацiї архiтектури, є самоописовим, тобто вiн дозволяс швидко виявляти та усувати хиби проектування. Альтернативою опису моделi за допомогою мов апаратного опису є схемотехнiчний синтез та синтез архiтектури з використанням функцiй алгебри логiки.
Синтез архiтектури з використанням функцiй алгебри логiки вимагає вiд розробника опису схеми в термiнах заданої множини логiчних функцiй. Такий пiдхiд є ефективний при побудовi пристроїв невеликої складностi. Суто теоретично функцiонування можна описати даним способом, але через велику складнiсть вiн є неприйнятним.
Метод схемотехнiчного синтезу базується на синтезi з використанням як окремих логiчних функцiй, так i елементiв, що побудовано на основi логiчних функцiй. Схемотехнiчний дизайн є зручним i наочним для схем невеликої складностi. Вiн дозволяс зручно втiлювати евристичнi схемотехнiчнi рiшення. Проте цей метод є практично неприйнятним для схем великої складностi (вiд 10 тисяч логiчних елементiв), оскiльки складно формулюсться, не дає змоги швидко модифiкувати проект, вчасно виявляти та усувати хиби проектування.
Незручнiсть схемотехнiчного проектування складних систем дала поштовх розробцi низки мов проектування. Зокрема, на початку 80-х рокiв Мiнiстерство оборони США пiдтримало розробку мови VHDL (VHSIC hardware description language) в рамках програми VHDL (very high-speed ІС). Цю iнiцiативу було пiдтримано iнститутом iнженерiв електрикiв та електронникiв (IEEE) з метою розробки стандарту мови – IEEE Standard 1076-1987. Згодом Мiнiстерством Оборони США доповнило стандарт IEEE Standard 1076-1987 власним стандартом MIL-STD-454, який регламентував сам процес проектування НВiС iз використанням мови VHDL. Інститутом IEEE запроваджено стандарт Std-1164 бiблiотеки мови VHDL уведенням багаторiвневої логiки, яка необхiдна в моделюваннi роботи iнтегральної схеми, запроваджено стандарт Std-1029 регламентацiї способiв верифiкацiї та тестування проекту. В 1993 роцi запроваджено новий IEEE стандарт мови VHDL 1076-1993, що доповнив iснуючий. Поширення набула абревiатура VHDL -87 та VHDL -93.
Мова VHDL дозволяє охопити водночас декiлька рiвнiв проектування вiд архiтектурного до логiчного. Ця мова апаратного опису дас змогу описати пристрiй як на поведiнковому, так i на структурному рiвнях та провести симуляцiю. Тут синтез топологiї кристала виконують засобами автоматизованого синтезу на основi поведiнкового та структурного описiв пристрою. У складних проектах застосування мови VHDL та потужного засобу логiчного синтезу дозволяї синтезувати пристрої, якi за ефективнiстю перевищують аналогiчнi, з використанням схемотехнiчного методу синтезу.
Технічне завдання
Розробити VHDLмодель мікрокомп`ютера з використанням пакету Active-HDL. Провести симуляцію на функціональному рівні блоків мікрокомп`ютера. Скласти програму та провести симуляцію виконання програми мікропроцесором.
Проектування мікропроцесорної системи виконати в такій послідовності:
Проектування та тестування компонентів інформаційного тракту мікропроцесора, блока зовнішньої пам`яті та двох зовнішніх пристроїв.
Проектування та тестування інформаційного тракту мікропроцесора.
Проектування та тестування керуючого автомату.
Проектування та тестування мікропроцесора.
Складання асемблерної програми та тестування мікрокомп`ютера загалом.
Реалізувати регістровий файл всередині інформаційного тракту, що містить 16 регістрів загального призначення. Можливий одночасний запис та читання з нього.
Додати до множини команд мікропроцесора Gnome дві команди load і store, що виконують відповідно завантаження та збереження.
Опис проекту
1. Структура мікрокомп`ютера
Базова структура мікрокомп’ютера містить мікропроцесор Gnome, блок зовнішньої пам’яті та два зовнішніх спеціалізованих пристрої (рис.1.1). Наведена структура мікрокомп’ютера не є функціонально завершеною, оскільки відсутній інформаційний зв’язок поміж мікрокомп’ютером та зовнішнім оточенням. З погляду учбового функціонального проектування таке обмеження не є критичним.
Рис.1.1. Структура мікрокомп’ютера
Зовні на мікрокоп`ютер надходять два сигнали: clock та reset. Перший є сигналом синхронізації, а другий – загальним скидом.
2 Зовнішній інтерфейс мікропроцесора Gnome
2.1 Порти мікропроцесора
Мікропроцесор Gnome має необхідну кількість інтерфейсних ліній/портів (address, data, csb, web, oeb) (рис.2.1.1), які дозволяють легко та з мінімальними витратами організувати взаємозв’язок поміж мікропроцесором Gnome та зовнішньою пам’яттю.
Розглянемо детально призначення портів мікропроцесора:
data – 8-розрядна двонаправлена шина даних;
address – 8-розрядна адресна шина (можливе фізичне звертання до 256 комірок зовнішньої пам'яті);
csb – керуючий сигнал вибору мікросхеми. Якщо csb='1', тоді обирається один із зовнішніх пристроїв, інакше звертання ведеться до пам`яті;
oeb – сигнал дозволу видачі інформації на шину даних; data (oeb='0' – дозвіл);
web – стробовий сигнал запису даних (web=‘0’ – запис);
reset – сигнал початкового скиду, рівень лог. '1' переводить мікропроцесор до початкового стану;
clock – на цей вхід надходять синхронізуючі імпульси з тактового генератора;
interrupt – лінія маскованого апаратного переривання (interrupt=’1’ – є переривання).
Слід зауважити, що сигнал oeb дозволу видачі даних та стробовий сигнал запису даних web водночас активними бути не можуть.
Рис.2.1.1. Порти мікропроцесора Gnome