傅翠嬌，曹慶華

（北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，EDA設(shè)計(jì)已經(jīng)成為硬件設(shè)計(jì)的主要方式，新型的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是利用硬件描述語言和EDA工具[1]，先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改和仿真，通過仿真波形可以直接觀察到電路內(nèi)部的各個(gè)信號(hào)的變化情況，然后將設(shè)計(jì)下載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的FPGA芯片中，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。通過一系列綜合性的實(shí)驗(yàn)，不僅可以加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件基本知識(shí)的理解，而且有助于學(xué)生貫通這些知識(shí)點(diǎn)。通過在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的驗(yàn)證與調(diào)試，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問題和解決問題能力[2－4]。

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)專業(yè)重點(diǎn)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，通過這門課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的工作原理，建立起計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的概念。該實(shí)驗(yàn)課程起著承上啟下的作用，是讓學(xué)生建立起整機(jī)概念的關(guān)鍵，其他的計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)課程可以圍繞計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)展開，可以通過向下融合和向上擴(kuò)展的方式使計(jì)算機(jī)硬件類的實(shí)驗(yàn)課程成為一個(gè)有機(jī)的整體。本文通過一個(gè)基于MIPS處理器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的說明[5－10]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)利用MIPS CPU、并行接口8255A以及定時(shí)器／計(jì)數(shù)器8253設(shè)計(jì)一個(gè)可循環(huán)運(yùn)行的程序，要求對(duì)8255A和8253進(jìn)行初始化后，使用8253進(jìn)行定時(shí)運(yùn)行CPU中的循環(huán)程序，并向8255A輸出數(shù)據(jù)，然后再把運(yùn)行結(jié)果通過數(shù)碼管上顯示出來。

1.2 MIPS處理器

本文使用的MIPS處理器——MIPS-C主要定位于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一個(gè)僅執(zhí)行定點(diǎn)指令的功能型處理器，與絕大多數(shù) MIPS處理器不同，MIPS-C采用單發(fā)射多周期體系結(jié)構(gòu)。MIPS-C具有中斷機(jī)制，不支持流水線、Cache、MMU、浮點(diǎn)運(yùn)算等。MIPS-C的設(shè)計(jì)主要參考了《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)－軟件／硬件接口》一書[11]。

1.3 并行接口8255A的工作原理

8255A是一個(gè)可編程的并行輸入、輸出接口電路，具有24個(gè)可編程設(shè)置的I／O口，包括3組8位的I／O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I／O口：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。8255A共有3種工作方式，其中A口可以設(shè)置為方式0、方式1、方式2，B口與C口只能設(shè)置為方式0或方式1。

1.4 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器8253的工作原理

8253是一種可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器，它有2個(gè)功能：一是作為計(jì)數(shù)器，另一是作為定時(shí)器。8253具有以下主要特點(diǎn)：（1）具有3個(gè)獨(dú)立的16位減一計(jì)數(shù)器；（2）可按二進(jìn)制或十進(jìn)制（BCD）計(jì)數(shù)；（3）具有6種不同的工作方式，這些方式可由軟件來設(shè)定[12]。

1.5 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)MIPS CPU與外圍接口的互連，需要對(duì)已設(shè)計(jì)的MIPS CPU做一些調(diào)整，例如原來的內(nèi)存和CPU混合在一起，不易控制，也不易和外圍接口相連，因此需要先把內(nèi)存移至CPU外；原來CPU與外界交換數(shù)據(jù)使用的是一條輸入數(shù)據(jù)線和一條輸出數(shù)據(jù)線，而8255等外圍接口使用的是即可作輸入又可作輸出的總線結(jié)構(gòu)，因此需要將數(shù)據(jù)線修改為總線結(jié)構(gòu)。怎樣控制定時(shí)器8253，比如門控信號(hào)，一種方法是使用8255A的C口輸出到8253，另一種方法是直接將其連接到一個(gè)輸入信號(hào)，手動(dòng)控制門控信號(hào)。相比較而言，手動(dòng)控制的方法比較好控制觀察現(xiàn)象，在這里選擇第2種方法。8253的輸出信號(hào)等作中斷信號(hào)使用，與CPU的外部中斷INT信號(hào)相連，一旦計(jì)時(shí)到就開始循環(huán)執(zhí)行程序，程序運(yùn)行的結(jié)果通過8255A的B口輸出。

1.6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

該實(shí)驗(yàn)在QuartusⅡ7.2中進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并在Altera公司的FPGA芯片EP2C35F672C6和DE2教學(xué)開發(fā)板上進(jìn)行下載驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程

2.1 MIPS CPU模塊

MIPS CPU是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了MIPS指令集的32位精簡(jiǎn)指令集CPU。原來的內(nèi)存是與CPU混合在一起的，不易控制，也不易與接口相連，因此需要先將內(nèi)存移至CPU外部，然后生成CPU的頂層文件，為下一步與接口的連接做好準(zhǔn)備，其符號(hào)文件如圖1所示。

圖1 MIPS CPU的符號(hào)模塊

MIPS CPU文件的時(shí)序仿真如圖2所示。

圖2 MIPS CPU的仿真波形文件

2.2 8255A可編程并行接口模塊

在本實(shí)驗(yàn)中，8255A芯片工作在0方式，即A口、B口、C口的高低四位可以自行指定作為輸入輸出端口使用，可以根據(jù)自己的約定把一些端口作為控制位使用，8255A的符號(hào)模塊如圖3所示。對(duì)8255A可編程并行接口進(jìn)行時(shí)序仿真，其仿真文件如圖4所示。

2.3 定時(shí)／計(jì)數(shù)器8253的設(shè)計(jì)模塊

在本次實(shí)驗(yàn)中，采用8253的0通道和方式0，其符號(hào)模塊如圖5所示[13]。

圖3 8255A的符號(hào)模塊

圖4 8255AA口輸入B口輸出的仿真波形文件

圖5 8253的符號(hào)模塊圖

對(duì)8253的0通道和方式0進(jìn)行仿真，仿真波形文件如圖6所示。

2.4 修改數(shù)據(jù)線為總線結(jié)構(gòu)

原來的CPU與外界交換數(shù)據(jù)使用的是一個(gè)輸出數(shù)據(jù)線和一個(gè)輸入數(shù)據(jù)線，而8255A等接口使用的是既可以輸入，又可以輸出的總線結(jié)構(gòu)，因此需要先將數(shù)據(jù)線改為總線結(jié)構(gòu)。如圖7所示，將輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)合并為一條線，并且在輸入輸出端加入tri器件作為總線控制器，即可完成總線結(jié)構(gòu)的改造。

圖6 82530通道、方式0的時(shí)序仿真

圖7 系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)圖

圖7中標(biāo)記處為控制CPU輸入輸出的總線控制器，控制信號(hào)為讀取信號(hào)RW，當(dāng)讀有效時(shí)，總線方向?yàn)镃PU輸入方向，當(dāng)寫有效時(shí)，總線方向?yàn)镃PU輸出方向。

2.5 地址譯碼電路

（1）內(nèi)存譯碼電路。內(nèi)存的譯碼電路比較簡(jiǎn)單，因?yàn)橹恍枰袛郃[7]是不是0即可，如圖8所示。

圖8 內(nèi)存譯碼電路

（2）8255A的譯碼電路。只需要判斷 A[7：2]是否是100000，譯碼電路如圖9所示。

圖9 8255A的譯碼電路

（3）8253的譯碼電路。需要判斷A[7：2]是否是100001，譯碼電路如圖10所示。

圖10 8253譯碼電路

2.6 編寫MIPS CPU匯編程序

將各個(gè)元件連好后，就開始編寫MIPS匯編程序，本實(shí)驗(yàn)中使用將程序硬編碼在內(nèi)存中的做法。控制過程為：手動(dòng)開啟gate信號(hào)，之后內(nèi)存中的循環(huán)程序會(huì)一直將一個(gè)變量加1，定時(shí)器每定時(shí)1次，做1次加1運(yùn)算。

控制邏輯如下所示：

（1）初始化8253：控制字為8’b00010100，計(jì)數(shù)初值為8’b00010000；

（2）初始化8255A：控制字為8’b10010000；

（3）然后8253每定時(shí)一次，程序把內(nèi)存中的一個(gè)數(shù)加1，計(jì)算結(jié)果回送內(nèi)存，并通過8255輸出。

初始化8253和8255A的時(shí)序仿真圖如圖11所示。開始執(zhí)行循環(huán)程序的時(shí)序仿真如圖12所示。

圖11 初始化8253和8255A的時(shí)序仿真圖

圖12 開始執(zhí)行循環(huán)程序的時(shí)序仿真圖

2.7 CPU與8255A、8253的連接

按照CPU的輸入輸出引腳定義以及8255A輸入輸出的引腳定義，把CPU和8255A進(jìn)行連接。為了不讓內(nèi)存和8255A輸出信號(hào)相沖突，在tri器件的選擇信號(hào)上需要加入本器件的CS使能信號(hào)，如圖13所示。

圖13 8255A輸出電路

在連接8253時(shí)，除了與CPU相對(duì)應(yīng)的各種信號(hào)需要連接以外，還有2個(gè)信號(hào)需要注意，一個(gè)是啟動(dòng)8253開始計(jì)時(shí)的gate信號(hào)，還有一個(gè)是8253的輸出信號(hào)。gate信號(hào)可直接將其連入一個(gè)輸入，手動(dòng)開啟gate信號(hào)，這樣做的目的是比較好控制觀察現(xiàn)象。8253的輸出可以當(dāng)做中斷信號(hào)來使用，與CPU的外部中斷INT信號(hào)相連，具體的連接方法如圖14所示。

2.8 綁定引腳，編譯下載

再次對(duì)工程進(jìn)行全編譯，然后將生成的目標(biāo)文件下載到實(shí)驗(yàn)箱上，進(jìn)行在線測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的正確性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于MIPS處理器的并行接口的計(jì)數(shù)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，功能仿真和下載測(cè)試表明：該系統(tǒng)功能正確，性能穩(wěn)定。通過增加外圍芯片，加深了學(xué)生對(duì)處理器的理解和認(rèn)識(shí)；通過實(shí)現(xiàn)處理器對(duì)外圍接口的控制，使學(xué)生更好地理解了接口的工作過程。該設(shè)計(jì)綜合了多種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)學(xué)生更好地掌握這方面的非常有幫助。

圖14 CPU與8255A、8253的連接圖

（References）

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