Cache控制器简单模型机设计实验

1、北京科技大学计算机与通信工程学院实验报告实验名称：cache控制器、简单模型机设计实验学生姓名：专 业：班 级：学 号：指导教师：实验成绩：实验地点：实验时间：年月日一、实验目的与实验要求1、实验目的（1）掌握一个简单cpu的组成原理；在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造 一台基本模型计算机；为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试。（2）掌握cache控制器的原理及其设计方法;熟悉fpga应用设计及eda软件的使用; 熟悉quartusii软件的使用及fpga应用设计。2、实验要求（1）用画图方式给出简单模型机实验接线图。利用5条机器指令编写程序，在简单模型 机上运行，并观察

2、执行过程和结果。更改指令，使苒执行一次后能够停机。（2）利用quartusii软件中完成cache控制器的设计，编译、仿真、下载并观察执行结 果。二、实验设备环境及要求cm3+实验环境、quartusii8.0环境三、实验内容与步骤1、实验一（1）实验原理本实验要实现一个简单的cpu,并且在此cpu的基础上，继续构建一个简单的模型计 算机。cpu由运算器（a山）、微程序控制器（mc）、通用寄存器（ro）,指令寄存器（ir）、 程序计数器（pc）和地址寄存器（ar）组成。这个cpu在写入相应的微指令后，就具备了 执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当巾，cpu必须和主存挂接后，才有实

3、际的意义，所以还需要在该cpu的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一 个简笮的模型计算机。pc_b为三态门的输出使能端，clr连接至con单元的总清端clr，按下clr按钮, 将使pc清零，ldpc和t2相与后作为计数器的计数时钟，当load为低时，计数时钟到 來后将cpu内总线上的数据打入pc。本模型机共有五条指令：in （输入）、add （二进 制加法）、out （输出）、jmp （无条件转移），hlt （停机），其指令格式如下表3.12所示。k 3.12指令格式助记符帆s栉令码说明in0010 ooooa000000 0000r0>r0out0011 ooooro-&g

4、t;outjmp addrinooooo addr +pchlt0101 oooo俜机数据通路图其中，jmp为双字节指令，其余均为单字节指令，*为addr对应的二进制地址 码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求cpu自动从存储器读取指令并 执行。本实验在微程序控制器实验的基础上增加了三个部件即程序计数器pc,地址寄存器 ar,存储器mem。当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为？1测试。巾于“取指”微指 令是所有微程序都使川的公川微指令，因此？1的测试结果出现多路分支。本机川指令寄 存器的高6位（ir7ir2）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元，剩下 的

5、其它地方就可以一条微指令占用控制存储器一个微地址羊元随意填写，微程序流程图上的 单元地址为16进制。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，k表即为将图3.34的微程序流程阁按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。地址十六进制离五位s3-s0a字段b字段c字段ma5-ma00000 00 010000000000000000000000010100 6d 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 b2 010000010010110

6、010000000011d10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 0100101000()00001000()0000013500 00 350000000000000000001101013e00 6d 5d00000000011011010101110100简单模型机微程序流程图设计一段机器程序，要求从in单元读入一个数据，存于r0,将r0和自身相加，结果 存于r0,再将r0的值送out单元显示。根据要求可以得到如下

7、程序，地址和内容均为二 进制数，地址p、j容助记符说明：00000000 00100000 ; start: in r0 从 in 单元读入数据送 r000000001 00000000 ; add r0，r0 r0 和自身相加，结果送 r000000010 00110000; out r0r0 的值送 out 单元显示00000011 11100000 ; jmp start 跳转至 00h 地址00000100 00000000 ;00000101 01010000 ; hlt 停机(2)实验步骤 联机写入和校验编写实验程序，将其导入到cm3+实验环境屮，校验运行。 按照卜图将实验箱连线t

8、sits212了丁i oriokcso曹rkuiomch-naixi bldau)bs3au中元rowb7. bocpc内总纹gm)ri-c'plko_b ldko j-hoo-oq-q浴 ij>ki'a qloir><1>si-5嚳seo-oo-oo-o-o-<1 i.oikap<1>sf£5蜃秦skosi>27. . s02®cox吶元±l加乙 y c.mp -!lpr_8llp 联机运行利用软件环境里的简单模型机数裾通路阁。操作实验箱，观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令

9、显示和丁位机是否一致。2、实验二(1)实验原理本实验采川的是直接方式，这种变换方式简单而直接，硬件实现很简单，访问速度也比 较快，但是块的冲突率比较高。其主要原则是：主存中一抉只能映象到cache的一个特定的 块中。假设主存的块号为b, cache的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示为：b = b mod cb其屮，cb是cache的块容量。设主存的块容量为mb,区容量为me,则直接映象方法 的关系如图3. 19所示。把主存按cache的大小分成区，一般主存各量为cache界量的整数 倍，主存每一个分区内的块数与cache的总块数相等。直接映象方式只能把主存各个区中相 对块号相同的那些诀映

10、象到cache中同一块号的那个特定块中。例如，主存的块0只能映象 到cache的块0中，主存的块1只能映象到cache的块1中，同样，主存区1中的块cb (在 区1屮的相对块号是0)也只能映象到cache的块0屮。根据上而给出的地址映象规则，整 个cache地址与主存地址的低位部分是完全相同的。主ft储器区0区ki接相联映像方式直接映象方式的地址变换过程如图所示，主存地址中的块号b与cache地址中的块号 b是完全相同的。同样，主存地址中的块内地址w与cache地址中的块內地址w也是完全 相同的，主存地址比cache地址长出来的部分称为区号e。区表存wj器直接相联地址变换在程序执行过程中，当要

11、访问cache时，为了实现主存块号到cache块号的变换，需 要有一个存放主存区号的小容量存储器，这个存储器的容量与cache的块数相等，字长为 主存地址中区号e的长度，另外再加一个有效位。在主存地址到cache地址的变换过程中，首先用主存地址屮的块号去访问区号存储（按 地址访问）。把读出来的区号与主存地址屮的区号e进行比较，根裾比较结果和与区号在同 一存储字中的有效位情况作出处理。如果区号比较结果相等，有效位为1，则cache命 中，表示要访m的那一块已经装入到cache巾了，这时cache地址（与主存地址的低位部 分完全相同）是正确的。用这个cache地址去访问cache,把读出来的数据送

12、往cpu。其他 情况均为cache没有命中，或称为cache失效，表示要访问的那个块还没有装入到cache 屮，这时，要用主存地址去访问主存储器，把读出来的一个字送往cpu,同时，把包括被访 问字在内的一块都从主存储器中读出来，送往cache的相应诀。cache和cpu以及存储器 的连接如图3. 21所示，本实验要在fpga中实现cache及其地址变换逻辑（也叫cache控 制器），采用直接相联地址变换，只考虑cpu从cache读数据，不考虑cpu写回数据的情况。cache控制器顶层模块如图3. 22所示，主存地址为a7a0,共8位，区号e取3位， 这样cache地址还剩5位，所以cache界

13、量为32个单元，块号b取3位，那么cache分 为8块，块内地址w取2位，则每块为4个单元。图3.22中，%了为写cache块表信号， clr为系统总清零信号，a7-a0为cpu访问内存的地址，为cache失效信号，ca4cao 为cache地址，md7mdo为主存送cache的数裾，d7do为cache送cpu数据，t2为 系统时钟，kd为cpu访问内存读信号，la1和lao为块內地址。f9 3.21 cache 系统阁t2x-mxv，mclp*r-2iwot1stjhl3usymzt i，id*t3*wctx:_=wcp.olclr|1aim op刈rdwrc(7.dilwctclrwct

14、rn ki 覆 i rrr单厂c(7.o1阁3.22 cache控制器顷层模块阁(2)主要步骤 利用quartus ii软件完成对cache控制器的设计，并且将其编译运行仿真。 连接实验箱，并完成实验连线。 将编译仿真成功的文件，t载到实验箱内，测试运行，并观察实验现象。实验结果与分析1、实验一(1)停机指令文件氺本氺本氺木氺木木氺氺氺本氺木氺木木木木木氺氺木氺氺氺木氺本氺木氺木氺木木;/;/cpu与简单模型机实验指令文件/;/;/by tangdu co.,ltd/;/氺本木木*氺氺*木木本*木*本*木*木*氺氺木木本*木*木*木*本*木/* start of main memory dat

15、a */$p 00 20; start: in r0$p 01 00; add ro,ro$p 02 30; out r0$p 03 e0;jmp start$p 04 05;$p 05 50; hlt从in单元读入数据送r0 r0和自身相加，结果送r0 r0的伉送out单元显示 跳转至00h地址停机;/* end of main memory data */* start of microcontroller data */;nop$m 00 000001 $m 01 006d43 $m03 107070 $m 04 002405 $m 05 04b201 $m id 105141 $m30

16、 001404 $m 32 183001 $m 33 280401 $m 35 000035 $m 3c006d5d；pc->ar,pc 加 1 ;mem->ir, p<1>ro->b ;a 加 b->ro ;mem->pc ;r0->a ;in->r0 ;ro->out ;nop；pc->ar,pc 加 1;/* end of microcontroller data */(2) cm3+环境显示alualut2t2t2ldblqaolorot2mr#ior»拉刺信号a:» n*irb: t cout:ij

17、|嫩士in：«2、实验二(1) cache控制器设计原理阁及其仿真波形* 'lrs7.xtlk.ffv.*r r-.v 汽l 二 r:jx- - r少 一 ¥ < >一 w» < v" 乂 v*e «:;e4r*?rct人”乂 如r r-. m p.tfg v > 、 x.g . .cptr - rcr « < «*r r»« m r ，r*. r r吻:c:«4(4 g cr 3雌： (2)实验箱运行五：结论u寸论1、实验结论(1)通过更改指令，能够使其执行一次运行后停机，并且观察到来程序的执行过程和 结果。掌握了简单cpu的组成原理，并在此基础上构造出了简单的模型计算机，并且能够 运行成功。(2)利用quar