中断请求串行判优先电路的设计与实现

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：院（系）：计算机学院专业：班级：学号：姓名：指导教师：完成日期：年月日沈阳航空航天大学课程设计报告附录-2-1.总体设计方案1.1设计原理主机与外部设备的信息交换方式主要有：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式等。程序中断方式的主要特点是：程序切换（程序转移）和随机性。对于小数据量交换的场合，用程序中断方式是很方便和高效的。程序中断方式是指：CPU在执行程序的过程中，如果因出现某种随机事件而收到中断请求，则暂时停止现行程序的执行，转去执行一段中断服务程序，以处理该事件，并在处理完毕后自动恢复程序的执行。中断串行判优先电路，是通过链路排队器实现的，它是一种优先级管理的简单实现方案。每个设备均有一个中断请求输入，优先级别高的设备屏蔽掉优先级别低的设备，以此实现按优先级排队，以实现中断响应的优先。由于需要产生中断向量，所以在菊花链排队电路的基础上，再加入中断向量产生逻辑。实用的中断控制器都可以实现对特定中断的屏蔽，所以在上述电路的基础上再加入中断屏蔽电路。1.2设计思路题目要求设计的电路由中断请求触发器、中断向量寄存器和门电路等逻辑部件组成。所以电路主要由链路排队器部分（用于中断响应信号INTA的传递或截取）和中断向量产生部分（用于生成当前中断请求中优先级最高的中断请求的中断向量）。链路排队器部分应包括链路排队电路和中断汇总电路。中断向量产生部分需要挑选出当前中断请求中优先级别最高的请求，所以一种简单的方案是采用优先编码器生成相应的中断向量。中断源数目为8，所以只需要使用8-3优先编码器即可完成。中断设备码用8位二进制数表示，但真正有用的设备码只包含在其低3位，高5位置0即可。实现特定中断屏蔽功能，只需在上述基础上加入一个中断屏蔽寄存器，输入的中断请求在经过中断屏蔽寄存器过滤后再送菊花链排队部分和中断向量产生部分。其设计框图如图1.1所示。图1.1总体设计框图中断响应链路排队器部分中断向量产生部分中断请求串行判优先电路沈阳航空航天大学课程设计报告附录-3-1.3设计环境（1）硬件环境•伟福COP2000型计算机组成原理实验仪COP2000计算机组成原理实验系统实验箱及其配套软件组成。其软硬件对用户的实验设计具有完全的开放特性。它的各模块的数据线、地址线与系统之间的挂接是通过三态门，而不是其它实验设备所采用的扁平连线方法，而数据线、地址线是否要与系统连通，则由用户连线控制。COP2000系统的运算器采用EDA技术设计，随机出厂时，已提供一套已装载方案，能进行加、减、与、或、带进位加、取反、直通八种运算方式，若用户不满意该套方案，也可自行重新设计并通过JTAG口下载。控制器微指令格式及定义可通过键盘和PC机进行重新设计，从而产生与众不同的指令系统。系统和数据线、地址线、控制线均在产品线插孔区引出，并设计了40芯锁进插座，供用户进行RAM、8251、8255、8259等接口器件的扩展实验。（2）EDA环境•XilinxFoundationF3.1设计软件XilinxFoundationF3.1是Xilinx公司主要的可编程器件开发工具，它可用来开发Xilinx公司的Spar-tanVirtexXC3000XC4000XC5200系列的FPGA芯片和XC9500系列的CPLD芯片。该平台功能强大,主要用于百万逻辑门级的设计和1Gb/s的高速通信内核的设计。利用该系统可完成从设计构想到比特流下载的全部过程。该平台以工程管理器为主界面，同时集成了Xilinx公司以及其他公司的一些优秀软件。•COP2000集成开发环境COP2000集成开发环境是COP2000计算机组成原理实验仪的配套软件环境，在这个软件环境下可完成汇编程序的调试、指令系统的设计、实时仿真与调试等功能，其界面如图1.2。图1.2COP2000计算机组成原理集成调试软件沈阳航空航天大学课程设计报告附录-4-2.详细设计2.1元器件封装2.1.1排队器节点1.结构这是排队器中的每一个细微的节点，每一个节点对应一个设备请求。此节点由两个输入端（INT,INR）和两个输出端（NEXT,INTO）构成。INT为中断请求信号输入端，INR为中断响应信号输入端，NEXT用于连接下一个节点的INR引脚，INTO为中断请求信号输出端。封装情况如图2.1。图2.1排队器节点封装样图内部结构电路图如图2.2。图2.2内部结构示意图2.功能仿真当INT和INR均为高电平时，输出的INTO为高电平，表示有中断信号；输出的NEXT为低电平，表示屏蔽掉排在其后面的节点。当INT为低电平，INR为高电平时，表示中断信号，但不是这个节点的中断信号。输出的INTO为高电平；输出的NEXT为高电平，表示不屏蔽排在其后面的节点。波形仿真如图2.3所示。沈阳航空航天大学课程设计报告附录-5-图2.3节点仿真示意图2.1.2链路排队器1．结构排队器由多个排队器节点串联而成，按题目要求该处使用8个节点串行排列。该排队器有八个输入和八个输出封装而成。芯片内部由八个节点依次排队串联而成，每一个节点均有一个输入和一个输出，分别表示设备的中断请求信号以及输出的优先级最高的中断设备响应信号。封装情况如图2.4。图2.4排队器封装图排队器中当前节点的NEXT接到下一个节点的INR,INTO节点与其他所有节点相或，以判断此排队器中是否有中断请求。结构如图2.5。沈阳航空航天大学课程设计报告附录-6-图2.5排队器内部结构2．功能仿真当均无中断请求时，所有输出为低电平；当设备0、1、2、3、4均由中断请求时，设备0优先级最高，响应设备0的请求，屏蔽其它设备的中断响应；当设备2、3、5、6均由中断请求时，设备2优先级最高，响应设备2的请求，屏蔽其它设备的中断响应。仿真结果如图2.6。图2.6排队器的仿真结果沈阳航空航天大学课程设计报告附录-7-2.1.38-3优先编码器1.结构该模块包含9个输入端，4个输出端。输入8个中断请求信号，Y0~Y2三个输出端输出中请求信号中优先级最高的信号所对应的中断向量。输出端INT用于标识当前的输出信号是否有效（1：有效，0：无效）。I0~I7为中断请求信号输入端（低电平有效），CS为芯片使能信号。Y0~Y2为中断向量输出，INT为中断向量有效信号。编码器封装情况如图2.7。图2.78-3优先编码器封装图内部结构如图2.8。图2.88-3优先编码器的内部结构2.仿真结果沈阳航空航天大学课程设计报告附录-8-将cs端始终输入低电平。当输入均为高电平时，表示没有中断请求，输出的INT为0，表示输出无效；当输入I3-I7为低电平，其余为高电平时，I7的优先级最高，输出的向量地址为111；当输入I3-I5为低电平，其余为高电平时，I5的优先级最高，输出为101。符合要求，仿真波形如图2.9。图2.98-3优先编码器的仿真波形图2.1.4中断请求触发器1.结构该模块由八个二输入与门组成，A0~A7为第一组信号输入端，B0~B7为第二组信号输入端，C0~C7为输出端。在使用中，A0~A7接中断请求信号，B0~B7接中断屏蔽信号，输出为屏蔽后可用的中断请求信号。封装情况如图2.10。图2.10中断请求触发器的封装图沈阳航空航天大学课程设计报告附录-9-内部由中断请求信号与中断屏蔽信号分别相与，结果分别输出为屏蔽后可用的中断请求信号。内部结构如图2.11。图2.11中断请求触发器内部结构图3.仿真结果将所有的中断屏蔽信号都置为高电平。当不输入中断请求信号时，中断输出为低电平。当A1、A2、A3、A4为高电平时，输出的屏蔽后的中断请求信号为c1、c2、c3、c4为高电平。仿真波形图如图2.12。图2.12中断请求触发器仿真波形图沈阳航空航天大学课程设计报告附录-10-2.顶层文件设计1.结构顶层图形文件由输入输出端口和中断控制部分组成（如图2.13）。左上角为8个中断请求输入端，左下角为8个中断屏蔽信号输入端，右上角为8个中断响应信号输出端，右下角为8个中断向量输出端。中断控制部分集合了中断请求触发器、中断向量寄存器（8-3优先编码器）和中断响应优先排队器。图2.13顶层设计示意图2.仿真结果I3-I10为中断请求信号，I11-I18为中断屏蔽信号，I45-I47为向量地址输出，I67-I74为中断响应信号的输出。仿真结果波形图如图2.14。中断控制部分中断请求输入中断屏蔽信号输出中断向量输出中断响应信号输出8输入8输入8输出8输出沈阳航空航天大学课程设计报告附录-11-图2.14输入输出结果仿真波形图3．器件的选择与引脚锁定3.1器件的选择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，采用的目标芯片为XilinxXCV200可编程逻辑芯片。引脚锁定顶层图形文件中的芯片引脚与XilinxXCV200芯片引脚相互对应。3.2编译、综合、上板利用Xilinxfoundationf3.1的原理图编辑器对顶层图形文件进行编辑，并利用仿真器对其进行，分析信号波形是否与功能相符。仿真成功后对工程进行编译，生成相应的*.bit文件后下载到芯片中，通过实验箱观察实际运行效果。沈阳航空航天大学课程设计报告附录-12-3．编程下载与硬件测试3.1编程下载利用COP2000仿真软件的编程下载功能，将得到*.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。中断请求信号，中断屏蔽掩码的输入通过XCV200实验板的输入开关实现，来自CPU的中断响应信号及中断向量地址通过XCV200实验板的LED指示灯实现。K0为设备中断信号输入，从左到右：设备0—设备7；优先级从低到高。A7、A6、A5为向量地址，B7-B0为中断响应输出。测试：1．将所有的输入中断屏蔽信号置低电平。无论中断请求怎样，均无中断响应输出。如图3.1。图3.1上级操作图2.将所有的输入中断屏蔽信号置高电平。将设备2和设备3的中断置高电平（即k0.5=1,k0.4=1），其余全为低电平。设备3优先级更高，中断向量地址为011，响应信号指示设备3。结果如图3.2。沈阳航空航天大学课程设计报告附录-13-图3.2上级操作图3.将所有的输入中断屏蔽信号置高电平。将设备4、设备5和设备6的中断置高电平（即k0.3=1,k0.2=1,k0.1=1），其余全为低电平。设备6优先级更高，中断向量地址为110，响应信号指示设备6。结果如图3.3。图3.3上机操作图沈阳航空航天大学课程设计报告附录-14-参考文献[1]罗克露计算机组成原理[M].高等教育出版社;第1版(2010年7月1日)[2]李芷，杨文显，卜艳萍微机原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社，2005[3]周大海，施国君，郭振洲计算机组成原理实验与课程设计教程[M]北京：北京航空航天大学出版社，2015[4]白中英计算机组成原理(第三版)[M].北京：科学出版社，2005沈阳航空航天大学课程设计报告附录-15-附录（电路原理图）沈阳航空航天大学课程设计报告附录-16-课程设计总结：以前都是做软件，这一次却是做硬件，还是计算机硬件的内部结构。刚开始的时候确实有点让人措手不及，但是深入到其中之后却发现一个道理：知道的越多，不知道的也就越多。硬件是实现软件的基础，了解硬件的结构是不可或缺的。我这次做的是中断服务，这次课程设计，我做的这个题目并不难，但由于开始对实验的软硬件环境不熟悉，所以在学习工具方面花的时间比真正画原理图的时间还多。这也暗示我们在平时应该学习更多的东西，而不单单是为了通过考试。当然，在做一件事前，我们不可能有万全的准备，在遇到问题后多思考、多实践、多学习，才能不断进步。选择了计算机专业，也就选择了终生学习。中断在各个领域会被用到，估计计算机里的中断是其鼻祖吧。中断思想中，结构很简单，但是其创意去很好，实现的方法很巧妙，这次的课程设计也让我深入的了解了中断的思想，这个思想我想在其它邻域一定能够用到。指导教师评语：指导教师(签