相联存储器设计.docx
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相联存储器设计
课程设计报告
课程设计名称:
计算机组成原理课程设计
课程设计题目:
相联存储器的设计
院(系):
计算机学院
专业:
计算机科学与技术
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
完成日期:
目录
第1章总体设计方案1
1.1设计原理1
1.2设计思路2
1.3设计环境2
第2章详细设计方案3
2.1顶层方案图的设计与实现3
2.1.1创建顶层图形设计文件3
2.1.2器件的选择与引脚锁定3
2.1.3编译、综合、适配6
2.2功能模块的设计与实现6
2.2.1存储体模块的设计与实现6
2.2.2比较器模块的设计与实现6
2.3仿真调试….7
第3章编程下载与硬件测试9
3.1编程下载9
3.2硬件测试及结果分析9
参考文献11
附录(程序清单或电路原理图)12
第1章总体设计方案
1.1设计原理
相联存储器的原理框图如图1.1所示,相联存储器不按地址访问存储器,而按所存数据字的全部内容或部分内容进行查找(或检索)。
例如,在虚拟存储器中,将虚地址的虚页号与相联存储器中所有行的虚页号进行比较,若有内容相等的行,则将其相应的实页号取出,这是安数据字的部分内容进行检索的例子。
设存储器有W个字,字长n位。
CR为比较数寄存器,字长也为n位,存放要比较数(或要检索的内容)。
比较数寄存器与存储体的内容进行比较若满足比较要求,则SRR中相应的位置结果为“1”。
其余各位均为“0”。
SRR位查找结果寄存器,然后输出相应的比较结果。
X
X
X
X
X
X
X
X
X
…….
X
CR
字
…….
……
…….…………
0
1
i
w-1
SRR
图1.1一
1.2设计思路
相联存储器存储体可以用一个八输入或门模块和八个八位寄存器模块构成。
相联存储器的整体设计分别包含八个八位寄存器模块和八个八位比较器作为底层设计,顶层的相联存储器采用原理图设计输入方式。
进行电路设计并实现表1.1中给定的功能,调试后形成*.bit文件并下载到XCV200可编程逻辑芯片中,经硬件测试验证设计的正确性。
1.3设计环境
·硬件环境:
伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机;
·EDA环境:
Foundation设计软件。
第2章详细设计方案
2.1顶层方案图的设计与实现
顶层方案图实现相联存储器的逻辑功能,采用原理图设计输入方式完成,电路实现基于XCV200可编程逻辑芯片。
在完成原理图的功能设计后,把输入/输出信号安排到XCV200指定的引脚上去,实现芯片的引脚锁定。
2.1.1创建顶层图形设计文件
顶层图形文件主要由一个八输入门(OPAD8.VHD)、一个八位寄存器(FD8CE.VHD)模块一个八字八位的存储体和一个八字八位的比较寄存器组装而成的一个完整的设计实体。
可利用XilinxISEECS模块实现顶层图形文件的设计,顶层图形文件结构如图2.1所示。
2.1.2器件的选择与引脚锁定
(1)器件的选择
由于硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板,故采用的目标芯片为XlinxXCV200可编程逻辑芯片。
(2)引脚锁定
把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到XlinxXCV200芯片指定的引脚上去,实现芯片的引脚锁定,各信号及XlinxXCV200芯片引脚对应关系如表2.1所示。
图2.1相联存储器顶层图形文件结构
相联存储器内部信号
图形文件中的输入/输出信号
XCV200芯片引脚
I00
I00
P63
I01
I01
P64
I02
I02
P65
I03
I03
P66
I04
I04
P70
I05
I05
P71
I06
I06
P72
I07
I07
P73
I10
I10
P79
I11
I11
P80
I12
I12
P81
I13
I13
P82
I14
I14
P84
I15
I15
P85
I16
I16
P86
I17
I17
P87
I65
I65
P94
I66
I66
P95
I67
I67
P96
Q0
Q0
P74
Q1
Q1
P68
Q2
Q2
P67
Q3
Q3
P57
Q4
Q4
P52
Q5
Q5
P46
Q6
Q6
P42
Q7
Q7
P31
D0
D0
P28
D1
D1
P27
D2
D2
P26
D3
D3
P25
D4
D4
P24
D5
D5
P23
D6
D6
P21
D7
D7
P20
Q200
Q200
P215
Q201
Q201
P216
Q202
Q202
P217
Q203
Q203
P218
Q204
Q204
P220
Q205
Q205
P221
Q206
Q206
P222
Q207
Q207
P223
表2.1信号和芯片引脚对应关系
2.1.3编译、综合、适配
利用XILINX编译器对顶层图形文件进行编译、综合、优化、逻辑分割、适配和布线,生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。
2.2功能模块的设计与实现
相联存储器是以存储体和比较器为基础而实现的,设计时这两个模块用原理图设计方式实现。
2.2.1存储体模块的设计与实现
设存储体的名称为MEMORY,其设计过程如下:
(1)创建模块内部结构
存储体为八字八位,所以需要八个寄存器(FD8CE)来实现,如图2.2所示。
(2)创建元件图形符号
为了能在图形编辑器(原理图设计输入方式)中调用此存储体,需要为(MEMORY)创建一个元件图形符号,可用XilinxISE编译器的CreateSymbol模块实现。
(3)功能仿真
对创建的存储体元件(MEMORY)进行功能仿真,验证其功能的正确性,可用XILINX编译器的Simulator模块实现。
2.2.2比较器模块的设计与实现
设比较器名称为COMPARE,其设计过程如下。
(1)创建模块内部结构
比较器为八位比较,所以需要八个比较寄存器(COMP8)来实现,如图2.3所示。
(2)创建元件图形符号
为了能在图形编辑器(原理图设计输入方式)中调用此半加器,需要为H_ADDER创建一个元件图形符号,可用XILINX编译器的CreateSymbol模块实现。
(3)功能仿真
对创建的相联存储器元件(COMPARE)进行功能仿真,验证其功能的正确性,可用XILINX编译器的Simulator模块实现。
2.3仿真调试
仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性,本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。
建立仿真波形文件及仿真信号选择
功能仿真时,首先建立仿真波形文件,选择仿真信号,对选定的输入信号设置参数,选定的仿真信号和设置的参数如表2.2所示。
表2.2仿真数据结果
输入信号
输出信号
I0[7:
0]
I1[7:
0]
Q20[7:
0]
E6
B5
FF
CC
B5
00
B5
B5
04
FC
B5
04
E3
B5
04
3C
B5
04
00
B5
04
FF
B5
04
图2.4功能仿真波形结果
第3章编程下载与硬件测试
3.1编程下载
利用XilinxISE的编程下载功能,将得到的*.bit文件下载到XCV200实验板的XCV200可编程逻辑芯片中。
3.2硬件测试及结果分析
利用XCV200实验板进行硬件功能测试。
相联存储器的输入数据通过XCV200实验板的输入开关实现,输出数据通过XCV200实验板的LED指示灯实现,其对应关系如表3.1所示。
表3.1XCV200实验板信号对应关系
XCV200芯片引脚信号
XCV200实验板
I65I66I67
K0
I1[7:
0]
K1
I0[7:
0]
K2
Q0[7:
0]…Q7[7:
0]
D4
D[7:
0]
D5
Q20[7:
0]
D1
利用表2.2中的输入参数作为输入数据,逐个测试输出结果,即用XCV200实验板的开关K0、K1、K2输入数据,同时观察LED1、LED4和LED5的输出,得到如表3.2所示的硬件测试结果。
表3.2硬件测试结果
输入信号
输出信号
K0
K1
K2
D1
D4
D5
000
E6
B5
00
E6
B5
001
CC
B5
FF
CC
B5
010
B5
B5
00
B5
B5
011
FC
B5
04
FC
B5
100
E3
B5
04
E3
B5
101
3C
B5
04
3C
B5
110
00
B5
04
00
B5
111
FF
B5
04
FF
B5
对表3.2与表1.1的内容进行对比,可以看出硬件测试结果是正确的,说明电路设计完全正确。
如图:
参考文献
[1]江国强.EDA技术与应用[M].北京:
电子工业出版社,2004
[2]庄镇泉、胡庆生.计算机类电子设计自动化[M].北京:
科学出版社,2000
[3]侯伯亨、顾新.硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1999
[4]曹昕燕.EDA技术实验与课程设计[M].北京:
清华大学出版社,2006
[5]范延滨.微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术[M].北京:
北京邮电大学出版社,2006
[6]王爱英.计算机组成与结构(第4版)[M].北京:
清华大学出版社,2006
[7]王爱英.计算机组成与结构(第3版)[M].北京:
清华大学出版社,1999
附录(程序清单或电路原理图)
图2.2存储体图形部件结构
图2.3比较器图形部件结构
课程设计总结:
主要从以下几方面总结:
1.设计过程中出现的问题最初为部件和线路上的命名错误,有命名不合法,命名冲突等错误。
主要还有逻辑上的一些错误,线路命名的时候出现的一些顺序上的错误错误导致了结果上的错误;经过反复的编译仿真调试改正错误以达到预期的结果。
下载文件的时候出现GPAD出错的情况,通过查找资料改正了管脚定义错误以及时钟脉冲定义错误,从而完成实验内容。
2.设计达到联想存储器的初级要求,能够实现查找、比较等功能;
3.通过此次课程设计提高了上机实践的能力,实现了理论联系实际。
并且通过该实验弥补了自己在学习上的一些缺点,改正了学习理论知识时的一些错误和填补了一些知识上的漏洞,完善了平时所学习的知识。
经过几天的设计加上学习还学到了一些课外知识,增加了见识,扩展了书本上的内容,并在增加自己的信心上达到了一定的效果。
指导教师评语:
指导教师(签字):
年月日
课程设计成绩
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- 相联 存储器 设计