Разработка микро-ЭВМ на ПЛИС

БГУИР ВМСИС 2014

Тип архитектуры: принстонская
Шина данных разрядностью 8 бит
Адресная шина разрядностью 12 бит
ОЗУ: синхронная
ПЗУ: асинхронная
Тип адресации: непосредственная
РОН: 20шт
Кеш k=2
Алгоритм замещения: без анализа
Синхронизация с памятью: флажковоотложенная
АЛУ: ADDC
Логические коды: NOT, AND
Сдвиговый код: ROR
Арбитаж: центрально-параллельный
Стек, обьем роста: 12/вниз
Схема предсказания переходов: А2

Помимо указанных в таблице команд, реализованы обязательные команды:
MOV adr, reg; MOV reg, adr; JMP adr; PUSH reg, POP reg, HLT, а так же DMA (прямой доступ к памяти) в 2-ух вариантах: кэшируемый и некэшируемый.
При реализации АЛУ и УУ был так же реализован регистр флагов FR.

Архитектура принстонская, следовательно, шина для ROM и RAM будет общая, что нужно учитывать при разработке операций. При непосредственной адресации операнд располагается в адресном поле команды (ROM). Пример: mov ax, 40h
Количество регистров общего назначения – 20шт.
Тип КЭШ-памяти – с множественно-ассоциативным отображением (k = 2)
Алгоритм замещения строк – без анализа, что упрощает разработку (но уменьшает эффективность КЭШа).Тип синхронизации КЭШа с памятью один из самых сложных (если не самый) – флаговая отложенная синхронизация.
Операции АЛУ тривиальны, их нужно будет реализовать только на логических элементах. Арбитраж шин (централизованный параллельный) так же как и предсказатель переходов (4 бита, шаблон – исключающее “ИЛИ” IP и GHR ) будут реализованы отдельно, т.к. разрабатываемая микро-ЭВМ будет не конвейеризированная, а лишь многотактовая (подразумевается процессор).
Стек будет реализован отдельным блоком и с направлением роста вниз и объёмом 12 байт, ничего сложного.
Контроллер DMA задан объёмом 8 байт с начальным адресом 0xF в памяти RAM, с ним придётся повозиться, т.к. в предыдущем семестре на лабораторных подобного блока не разрабатывалось и заготовки отсутствуют.

ВВЕДЕНИЕ…………...………………………………………….………....….4
1 РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ МИКРО-ЭВМ……………...........5
2.1 Функциональный состав микро-ЭВМ …………………………..…....5
2.2 Разработка системы команд ……………………………………..........7
2.3 Описание взаимодействия всех блоков микро-ЭВМ при выполнении команд программы ……………………………………...9
2 РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРО-ЭВМ ……………12
2.1 Запоминающее устройство ……………………..…………………….12
2.2 Устройство управления …………………………..………………….. 15
2.3 Регистры общего назначения……………………..…...……………...19
2.4 Блок общих операций………………………………..……………….. 21
2.4.1 Блок нулевой итерации ………………………..………………..23
2.4.2 Блоки арбитража к общим шинам ……………..………………24
2.4.3 Блок операции NOP (нет операции) ……………..…………….26
2.4.4 Блок операции JMP (безусловный переход) ……..…………... 28
2.4.5 Блок операции М->R (чтение из RAM в РОН) ……..…………30
2.4.6 Блок операции R->M (запись из РОН в RAM) ………,.……… 32
2.5 Арифметико-логическое устройство …………………………..…….34
2.5.1 Блоки арбитража к общим шинам …………………………..…36
2.5.2 Блок регистров арифметико-логического устройства……..….38
2.5.3 Блок операции ROR (циклический сдвиг вправо)…………..... 39
2.5.4 Блок операции ADDC (сложение с переносом)……………..... 41
2.5.5 Блок операции INCS (инкремент по флагу S)……………….... 43
2.5.6 Блок операции NOT (побитовое инвертирование)……..……...45
2.5.7 Блок операции AND (побитовое «И»)……………..…………...47
2.6 Стековое запоминающее устройство……………………..…………..49
2.6.1 Блоки арбитража к общим шинам…………………..…………..50
2.6.2 Блок схемы стека……………………………………..…………. 51
2.7 КЭШ-память………………………………………………...…………..54
2.7.1 Блок данных КЭШа…………………………………..…………. 56
2.7.2 Второстепенные блоки КЭШа………………………..…………61
2.7.3 Блок управления КЭШа………………………………..………...63
2.8 Контроллер прямого доступа к памяти………………………..……...79
2.9 Предсказатель переходов………………………………………..……. 82
2.10 Организация арбитража……………………………………..…...85
3 ПОЛНАЯ ВРЕМЕННАЯ ДИАГРАММА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ МИКРО-ЭВМ И ЕЁ АНАЛИЗ ….….….87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………….………………………………...…..90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.…………….…………………………………..…..91
ПРИЛОЖЕНИЕ А Система команд микро-ЭВМ…………………….…..….92

Выполнена в Quartus II 9.1 Altera Complete Design Suite 9.1