计算机系统综合课程设计-东南大学计算机科学与工程学院

计算机系统综合设计设计报告组长：张冠群（09003105）成员：杨俊（09003209）孙啸寅（09003112）万乾坤（09003218）李传佑（09003214）刘森（09003110）黄河（09003206）东南大学计算机科学与工程学院二OO六年九月设计名称基于MIPS32的SOC设计完成时间2006.9验收时间本组成员情况姓名学号承担的任务成绩张冠群09003105mips32CPU、CTC、PWM、WDT、BIOS、实验报告、最终测试刘森09003110LED、LCD孙啸寅09003112mips32CPU、I/O模块黄河09003206UART杨俊09003209mips32CPU、INT32、SOC模块李传佑09003214KEY，部分BIOS万乾坤09003218MiniCCompilers注：本设计报告中各个部分如果页数不够，请大家自行扩页，原则是一定要把报告写详细，能说明本组设计的成果和特色，能够反应小组中每个人的工作。报告中应该叙述设计中的每个模块。设计报告将是评定每个人成绩的一个重要组成部分。本组设计的功能描述（含所有实现的模块的功能）SOC模块串联CPU和外围接口模块，实现片上系统的功能。MEMorIO模块该模块功能作用是给cpu添加io接口，当读写mem时给RAM输出存储器读写信号，当读写io时给外设输出io读写信号，提供数据线和地址线与外设连接.UART模块简单的串行通信模块。负责控制将CPU来的8位数据并转串，然后按照异步串行通信数据格式输出，将串口来的8位串行数据串转并，并在CPU请求的时候输入给CPU。LED模块通过向该控制电路写32位数据，经过译码控制共阳极的7段LED显示。32位数每半个字节控制一位7段LED，从高位到地位排列。每个LED灯显示十六进制数，从0到F。LED0模块LED的附属模块，一个LED灯的输出显示。KEY模块自动扫描4×4的键盘，当有键盘按下的时候扫描键值，将键值记录到键值寄存器，然后向CPU发出中断。CPU响应中断，当CPU读出键值后，撤销中断请求。CTC模块定时/计数器模块。两个定时/计数器CNT0和CNT1。具有计数和定时两个功能。计数方式下可以对输入的外部脉冲进行计数，当计数到初值寄存器的值的时候，设置状态寄存器的相应位。定时方式下，在时钟作用下计时器做减1，到0的时候设置状态寄存器的相应位，并在相应的COUT脚输出一个时钟的低电平（平时COUT是高电平）。状态寄存器在被读取后被清零。PWM模块脉冲宽度调制模块。可以调节脉冲的频率和占空比（本模块不支持）。一个12位PWM内部一个计数器和一个对比值，计数器周而复始的加1计数，计数到0FFFH的时候转为0再计数。当计数器的值大于对比值，输出端输出低电平，否则输出高电平。WDT模块看门狗模块。内含一个16位定时器，系统复位后计数值为FFFFH，之后每时钟计数值减1，当减到0的时候，向CPU发4个时钟周期的RESET信号，同时计数值恢复到FFFFH并继续计数。通过软件不断地定期写看门狗端口来复位看门狗，使计数器重新从FFFFH开始计数。增加看门狗电路后，CPU的RESET输入脚是系统复位信号和看门狗发出的复位信号的组合。mips32模块mips32CPU顶层模块。负责串联起CPU内各个控制、取指、执行、中断等模块。完成基于mips指令集的32位CPU功能。具有32位指令，16位地址线和32位数据线。CountClock模块用于串行通信UART的顶层模块。control32模块控制单元模块。根据指令中的指令码（op）和功能码（funct）的不同组合输出相应的控制信号。dmemory32模块存储单元模块。实际完成对数据存储器(RAM)的读写操作。executs32模块执行单元模块。完成逻辑运算、算术运算、移位运算、比较转移的PC值计算、比较后赋值。idecode32模块译码单元模块。对寄存器组进行操作。根据指令译码结果，决定向其他部件（如运算器）送1路或两路数据。ifetc32模块取指单元模块。到程序ROM中取指令、对PC值进行＋4处理、完成各种跳转指令的PC修改功能。int32模块中断模块。具有两个中断功能——中断0和中断1，中断0优先级大于中断1，不支持同级中断嵌套。将$12和$14设计为两个中断返回地址存放寄存器，分别在中断0和中断1到来的时候存放返回地址。它们分别称为$i0和$i1。timecount模块时钟脉冲分频模块。共分为四个脉冲，每个脉冲的频率相同，且均为系统时钟频率的4倍。不同的脉冲用以控制不同的CPU内部模块的运行。cs138模块译码模块。用于产生各个接口模块的片选信号。本组设计的主要特色1、可运行指定的31条MIPS指令的RISC型MIPS32微处理器，具有32位指令，16位地址线和32数据线。2、处理器采用哈佛结构，有独立的2KB的指令存储器和4KB的数据存储器具有2个中断源入口，两级中断优先级。3、键盘采用中断方式，而非扫面方式，为中断0级（最高级）。4、2个32位定时/计数器。5、CPU内部采用分频的方法，用不同的时钟对不同的模块进行同步控制，从而提高了主频。6、键盘和LCD的时钟由CTC提供，初始化程序在BIOS中。7、具有看门狗功能，通过指令对WDT进行复位。8、MEM和IO统一编址。IO的高3位产生片选CS信号，故最多支持8个接口，低5位用来选择8个32位的端口。9、附有类C语言编译器，详细见MIPS32编译程序使用手册。10、提供有LCD接口电路。11、CPU与接口之间的数据线有64条，用于CPU输出和读入数据。12、CPU内的ROM和RAM均采用同步控制。13、采用32位的mips汇编BIOS程序。14、编写有RAM和内部寄存器使用规则，避免因用户随意修改RAM和寄存器内存放的值而导致的系统瘫痪。15、规定了用户用mips汇编写代码时可用的寄存器和RAM地址空间。16、按住键盘上的某个键，在屏幕上并不是连续显示键值，两个前后显示的键值之间会有一定的时间间隔。17、当编译用户的C程序时，如果堆栈指针越界，编译程序会提示出错，并在LED上显示三条横线。18、最多支持7个LED的显示。本组设计的体系结构取指模块译码模块控制模块存储模块执行模块CPU脉冲模块接口定时/计数器脉冲调制看门狗键盘扫描串行通信LCD接口LED接口本组设计中各个部件的设计与特色CPU由六大模块构成，分别是取指模块、控制模块，译码模块，存储模块，执行模块，脉冲分频模块。可运行指定的31条MIPS指令的RISC型MIPS32微处理器，具有32位指令，16位地址线和32数据线。处理器采用哈佛结构，有独立的2KB的指令存储器和4KB的数据存储器。具有2个中断源入口，两级中断优先级。采用同步的RAM和ROM代替异步。CTC定时/计数器模块。两个定时/计数器CNT0和CNT1。具有计数和定时两个功能。计数方式下可以对输入的外部脉冲进行计数，当计数到初值寄存器的值的时候，设置状态寄存器的相应位。定时方式下，在时钟作用下计时器做减1，到0的时候设置状态寄存器的相应位，并在相应的COUT脚输出一个时钟的低电平（平时COUT是高电平）。状态寄存器在被读取后被清零。PWM脉冲宽度调制模块。可以调节脉冲的频率和占空比（本模块不支持）。一个12位PWM内部一个计数器和一个对比值，计数器周而复始的加1计数，计数到0FFFH的时候转为0再计数。当计数器的值大于对比值，输出端输出低电平，否则输出高电平。WDT看门狗模块。内含一个16位定时器，系统复位后计数值为FFFFH，之后每时钟计数值减1，当减到0的时候，向CPU发4个时钟周期的RESET信号，同时计数值恢复到FFFFH并继续计数。通过软件不断地定期写看门狗端口来复位看门狗，使计数器重新从FFFFH开始计数。增加看门狗电路后，CPU的RESET输入脚是系统复位信号和看门狗发出的复位信号的组合。UART串行通信模块。发送器要对外部时钟XTAL按照波特率要求进行分频，本设计采用固定波特率4800b/s。接收器接收数据的采用率是波特率的16倍（也由XTAL分频得到）。采用中间值采用的原则，也就是一个数据位占16个接收时钟宽度，在第8个时钟的时候采样。数据格式固定为一位起始位0,16位数据位,暂无校验位,1位停止位1,若干空闲位1串行输出线空闲状态为1。端口列表：100:接收移位寄存器101:发送移位寄存器010:写入缓冲寄存器011:内部状态寄存器KEY键盘扫描模块。硬件实现自动扫描4×4的键盘，当有键盘按下的时候扫描键值，将键值记录到键值寄存器，并置位状态寄存器中的“有键”标志，同时发出中断。当CPU读出键值后，将“有键”标志清除。采用中断的方式而不采用CPU扫描的方式是本设计的特色，如果长时间不按键的话可以节省很多CPU时间，所以这样做提高了CPU的工作效率。LEDLED灯控制模块。设计：32位输入数据，每半个字节控制一位七段LED，由高位到低位排列。由两个模块控制4个LED灯。LCDLCD显示器接口模块。可显示5*7或5*10点字图形20个共2行，因此共可显示40个字图形。内部显示寄存器有20*32bit=20个，每一行10个，可用位移显示法予以显示。本组设计的MIPS32编译程序使用手册编写程序的语言的语法说明：1、允许全局变量和函数局部变量，但一个函数内的变量在同一层次；2、所有标识符只能是以字母打头，数字字母串，不能含有‘_’；3、立即数可以是十进制或是以“0x”打头的十六进制；4、循环语句允许有for、while、do...while，可以用continue、break；5、不支持goto语句；6、条件语句可以用if...else...，不能用switch...case...；7、变量最多允许为一维，类型只能为有符号整型，不支持变量初始化；8、函数可以有申明，返回类型为void或int，可以嵌套、递归调用；9、允许空语句；10、算术操作符有+、-、*、/、%、&（按位与）、|（按位或）、^（按位异与）、（左移）、（右移）、.（取变量的第几位，返回0、1）、-（负号）；11、逻辑操作符有&&、||、!；12、关系运算符有、、=、=、!=、==；13、支持变量后++，变量后--；14、对端口操作可以用在端口号地址前加‘$’；15、可以没有main()函数，中断处理函数的名称分别为“interuptServer0”和“interuptServer1”；16、不允许用头文件，所有程序只能放在同一个文件中；17、BIOS功能调用的函数名：该程序生成的中间代码类似于汇编程序，但有所不同：1、每条语句前可以有标号，必须是以‘L’打头，后面跟上十进制数；L0，L1都有特殊含义，L0是中断0跳转地址，L1是中断1跳转地址；2、每条指令都是一个操作码加上三个操作数，中间不需要其他符号，操作数不够的后面补零；3、只有一条伪指令“int”，相当于定义变量，可以在函数结构内定义局部变量，也可在函数外定义全局变量，以‘；’结束。操作数中出现的变量名就等价于立即数，值等于它的偏移量；4、指令“j”“jal”“beq”“bne”后跟的是要跳转的地址处标号的值，而非跳转地址或偏移；5、“lw”“sw”的后面的参数顺序与网页上的不同，将立即数放在了最后；6、寄存器可以用‘$’后加数表示，也可以加寄存器名表示，即“$1”和“$at”等价；7、立即数支持正、负，十进制、十六进制（以“0x”打头）；对于关键部分的程序可以在中间代码进行人工修改后在汇编翻译。语法和词法：digit:[0-9]letter:[a-zA-Z];token:lettertoken|letter;decnums:digitdecnums|;decnum:digit|[1-9]decnums;hexnums:[0-9a-f]hexnums|;hexnum:'0x'hexnums;number:decnum|hexnum;var:'$'arifif|token|token'['ariexp']';args:ariexp','a