计算机组成原理课程设计-相联存储器的设计

沈阳航空航天大学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：相联存储器的设计与实现院（系）：计算机学院专业：物联网技术方向班级：物联1305学号：姓名：指导教师：完成日期：2016年1月15日沈阳航空航天大学课程设计报告-I-目录第1章总体设计方案..................................................................................................11.1设计原理............................................................................................................11.2设计思路............................................................................................................21.3设计环境............................................................................................................3第2章详细设计方案..................................................................................................52.1总体方案的设计与实现......................................................................................52.1.1创建顶层图形设计文件.....................................................................................52.1.2器件的选择与引脚锁定.....................................................................................52.2功能模块的设计与实现......................................................................................82.2.1检索寄存器的设计与实现.................................................................................82.2.2屏蔽寄存器的设计与实现.................................................................................92.2.3存储体的设计与实现.........................................................................................92.2.4比较器的设计与实现.......................................................................................102.2.5与门芯片的设计与实现.....................................................................................11第3章程序调试与结果测试....................................................................................133.1程序调试............................................................................................................133.2程序测试及结果分析........................................................................................13参考文献附录（源代码）......................................................................................16沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。第1章总体设计方案-1-第1章总体设计方案1.1设计原理相联存储器不按地址寻址而按照内容寻址，相联存储器由检索寄存器CR、屏蔽寄存器MR、存储体和结果寄存器SRR构成。设存储器有8个字，8位，则CR与MR为1字8位，将要检索的内容输入到检索寄存器CR中，用屏蔽寄存器MR屏蔽掉存储体中不参与比较的位数，其余比较位不变，将这个结果与检索寄存器比较，将结果送入结果寄存器保存，根据结果寄存器的数据可以得到符合检索寄存器的数据所在的存储区域，原理如图1。图1相联存储器原理图检索寄存器比较电路屏蔽寄存器存储体结果寄存器沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。第1章总体设计方案-2-1.2设计思路检索寄存器（CR）：存放要检索的数据，位数与存储器字长一致。屏蔽寄存器（MR）：与CR配合使用，检索位置为1，其余不参与比较的位设为0，位数与存储体字长一致，与存储体里的数据相与，得到的结果送入结果寄存器保存。存储体：由3-8译码器选择地址输入数据，是8乘8的结构。结果寄存器：存放检索寄存器和屏蔽寄存器相与的结果。若存储体存的八个存储单元分别存着数据为：00100110、1101100111110101、11000011、10010101、01100010、11000011、00101001，CR中存储的数据为00010100，MR存的数据是00011100，经过比较可以发现第三个和第五个存储单元符合CR，所以输出00101000,见图2。XXX101XXCR00011100MRSRR图2相联存储器工作原理图001010000010011011011001111101011100001110010101011000101100001100101001沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。第1章总体设计方案-3-1.3设计环境硬件环境：伟福COP2000型计算机组成原理试验仪、XCV200实验板、XP系统计算机。COP2000计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成，试验台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器B、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序寄存器、组合逻辑控制器、扩展座、总线插孔区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、20个按键、字符式LCD、RS232口，如图3。图3COP2000计算机组成原理集成调试软件EDA环境：Xilinxfoundationf3.1设计软件、COP2000仿真软件。Xilinxfoundationf3.1是Xinlinx公司的可编程器件开发工具，该平台功能强大，主要用于百万逻辑门的设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。设计入口工具包括原理图编辑器、有限状态机编辑器、硬件描述语言（HDL）编辑器、LogiBLOX模块生成器、Xilinx内核生成器等软件。其功能是：接收各种图形或文字的设计输入，并最终生成网络表文件。设计实现工具包括流程引擎、限制编辑器、基片规划器、FPGA编辑器、FPGA写入器等软件。沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。第1章总体设计方案-4-实际实现工具用于将网络表转化成配置比特流，并下载到器件。设计验证工具包括功能和时序仿真器、静态时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系及输出结果进行验证，并详尽分析各个时序限制的满足情况，如图4.图4Xilinxfoundationf3.1设计平台沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。附录-5-第2章详细设计方案2.1总体方案的设计与实现本设计方案以原理图输入凡事设计出顶层方案图，以此实现相联存储器相关的逻辑功能，在XCV2000可编程逻辑芯片上实现电路。在Xilinxfoundationf3.1开发环境上设计好电路图，把输入/输出信号分别定位到XCV2000芯片指定的引脚上，完成芯片的引脚锁定。2.1.1创建顶层图形设计文件根据相联存储器的相关功能，顶层设计文件由以下器件组成：11个D触发器（FD8CE），1个3-8译码器（D3-8E），8个比较器（COMP8），30个输入端口和8个输出端口封装而成的一个完整的设计实体。该方案在Xilinxfoundationf3.1软件环境下进行软件的设计，实现顶层图形文件。2.1.2器件的选择与引脚锁定器件的选择：由于提供的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，因此采用目标芯片为XilinxXCV200可编程逻辑芯片。3-8译码器芯片如图5所示，功能表见表1。沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。附录-6-图53-8译码器芯片表13-8译码器功能表A0A1A2ED7D6D5D4D3D2D1D0000100000001001100000010010100000100011100001000100100010000101100100000110101000000111110000000XXX000000000FD8CE触发器如图6所示，功能表见表2。图6FD8CE触发器芯片沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。附录-7-表2FD8CE触发器功能表CECPCLRQ[7：0]1上升沿0Q[7：0]=D[7：0]0上升沿0不变XX1Q[7：0]=00H比较器芯片COMP8如图7功能表见表3。图7比较器芯片COMP8表3比较器COPM8功能表A[7：0]=B[7：0]EQ=1A[7：0]!=B[7：0]EQ=0引脚锁定：根据引脚分配表，把顶层图形文件中的输入/输出信号依次安排到XilinxXCV200芯片指定的因脚伤，实现芯片的引脚锁定，各信号及XilinxXCV200芯片引脚对应关系如表4。表4芯片引脚对应图相联存储器内部信号XCV芯片引脚相联存储器内部信号XCV芯片引脚I50P33I4P213I51P34I0P79I52P35I1P80I53P36I2P81沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。附录-8-I54P38I3P146I55P39I8P103I56P40O10P147I57P41O11P152I60P56O12P178I61P55O13P184I62P54O14P185I63P53O15P203I64P50O16P111I65P49O17P110I66P48I72P65I67P47I73P66I70P63I74P73I71P642.2功能模块的设计与实现本相联存储器是由检索寄存器、屏蔽寄存器、存储体、结果寄存器组成，各部分元件均分别单独实现功能并仿真成功之后再将各部分模块进行连接，经整体整合仿真成功后，完成了所需的电路实体。2.2.1检索寄存器的设计与实现功能描述：检索寄存器的字长为8位，用于存放要检索的数据，本方案采用一个8位的D触发器实现，如图8。沈阳航空航天大学课程设计报告错误!未指定书签。附录-9-图8检索寄存器电路图2.2.2屏蔽寄存器的设计与实现屏蔽寄存器字长与存储器字长一致8位，它的作用是将不参与比较的位屏蔽，屏蔽寄存器本身与比较位对应的位为1，其他位为0，当其与存