Тестирование процессора и подтверждение правильности его работы с помощью временных диаграмм

7. Тестирование процессора и подтверждение правильности его работы с помощью временных диаграмм

Описание процессора на языке Active VHDL:

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

entity MPA is

port (CLK: in STD_LOGIC;

Reset: in std_logic;

FC, bit_out: out std_logic;

DataBus: inout std_logic_vector (7 downto 0));

end MPA;

architecture MPA of MPA is

–

component Add

port (Inc: in STD_LOGIC;

Reset: in STD_LOGIC;

SIn: in std_logic_vector (5 downto 0);

SOut: out std_logic_vector (5 downto 0));

end component;

–

component ALU

port (A: in std_logic_vector (7 downto 0);

B: in std_logic_vector (7 downto 0);

CLK: in std_logic;

SADD: in std_logic;

FC: out std_logic;

FZ: out std_logic;

Q: out std_logic_vector (7 downto 0));

end component;

–

component CAR

port (CarIn: in std_logic;

D: in std_logic_vector (5 downto 0);

CarOut: out STD_LOGIC;

Q: out std_logic_vector (5 downto 0));

end component;

–

component CBR

port (CbrIn: in std_logic;

InstrCom: in std_logic_vector (0 to 27);

Adr: out std_logic_vector (5 downto 0);

CS: out STD_LOGIC;

IncPC: out STD_LOGIC;

Instr0: out std_logic;

Instr1: out std_logic;

Instr2: out std_logic;

Inv: out STD_LOGIC;

InvZ: out STD_LOGIC;

IrIn: out std_logic;

MarIn: out STD_LOGIC;

MbrIn: out STD_LOGIC;

MbrInD: out STD_LOGIC;

MbrOut: out STD_LOGIC;

MbrOutD: out STD_LOGIC;

PCin: out STD_LOGIC;

RAIn: out STD_LOGIC;

RDCIn: out STD_LOGIC;

RIn: out STD_LOGIC;

ROut: out STD_LOGIC;

RdWr: out STD_LOGIC;

RzIn: out STD_LOGIC;

RzOut: out STD_LOGIC;

SADD: out STD_LOGIC);

end component;

–

component DC1

port (Ale: in STD_LOGIC;

Com: in std_logic_vector (7 downto 0);

ComAdr: out std_logic_vector (5 downto 0));

end component;

–

component INV

port (DIn: in std_logic_vector (7 downto 0);

Inv: in std_logic;

DOut: out std_logic_vector (7 downto 0));

end component;

–

component IR

port (Command: in std_logic_vector (7 downto 0);

IRin: in std_logic;

Reset: in std_logic;

Com: out std_logic_vector (7 downto 0);

IrOut: out STD_LOGIC);

end component;

–

component LogAnd

port (in1: in std_logic;

in2: in std_logic;

Sout: out std_logic);

end component;

–

component LogOR

port (in1: in std_logic;

in2: in std_logic;

SOut: out std_logic);

end component;

–

component MAR

port (AdrIn: in std_logic_vector (7 downto 0);

CLK: in std_logic;

MarIn: in std_logic;

RST: in std_logic;

AdrOut: out std_logic_vector (7 downto 0));

end component;

–

component MBR

port (CLK: in STD_LOGIC;

MbrIn: in STD_LOGIC;

MbrInD: in STD_LOGIC;

MbrOut: in STD_LOGIC;

MbrOutD: in STD_LOGIC;

RST: in STD_LOGIC;

DataIn: inout STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);

DataOut: inout STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));

end component;

–

component Memory

port (Adr: in std_logic_vector (5 downto 0);

RD: in std_logic;

InstrCom: out std_logic_vector (0 to 27);

MrOut: out STD_LOGIC);

end component;

–

component MUX

port (Adr0: in std_logic;

Adr1: in std_logic;

CLK: in STD_LOGIC;

IN1: in std_logic_vector (5 downto 0);

IN2: in std_logic_vector (5 downto 0);

IN3: in std_logic_vector (5 downto 0);

MuxOut: out STD_LOGIC;

OUT1: out std_logic_vector (5 downto 0));

end component;

–

component PC

port (AdrIn: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);

CLK: in STD_LOGIC;

IncPC: in STD_LOGIC;

PCIn: in STD_LOGIC;

RST: in STD_LOGIC;

AdrOut: out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));

end component;

–

component R0

port (C: in STD_LOGIC;

CLK: in std_logic;

DataIn: in std_logic_vector (7 downto 0);

RIn: in std_logic;

ROut: in std_logic;

RST: in std_logic;

DataOut: out std_logic_vector (7 downto 0));

end component;

–

component RA

port (

CLK: in STD_LOGIC;

DIn: in std_logic_vector (7 downto 0);

RAIn: in std_logic;

DOut: out std_logic_vector (7 downto 0));

end component;

–

component RAM

port (Adr: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);

CS: in STD_LOGIC;

RdWr: in STD_LOGIC;

Data: inout STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));

end component;

–

component RDC

port (Number: in std_logic_vector (7 downto 0);

RDCIn: in std_logic;

R1: out std_logic;

R2: out std_logic;

R3: out std_logic;

R4: out std_logic);

end component;

–

component RZ

port (CLK: in STD_LOGIC;

DIn: in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);

InvZ: in STD_LOGIC;

RST: in STD_LOGIC;

RZIn: in STD_LOGIC;

RZOut: in STD_LOGIC;

DOut: out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));

end component;

–

component R_1bit is

port (reg_in, IE: in std_logic;

CLK, Zero:in std_logic;

reg_out: out std_logic);

end component;

–

signal CS, IncPC, IrIn, MarIn, MbrIn, MbrOut, JB: STD_LOGIC;

signal S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, SR1, SR2, SR3, SR4: STD_LOGIC;

signal N1, N2, N3, FC_sig, bit_outs: STD_LOGIC;

signal PCIN, RaIn, RDCIn, RdWr, RIn, ROut, RzIn, RzOut, SADD: STD_LOGIC;

signal Adr: std_logic_vector (7 downto 0);

signal BUS2, BUS6, BUS7, BUS8, BUS11: std_logic_vector (5 downto 0);

signal BUS10: std_logic_vector (27 downto 0);

signal BUS0, BUS1, BUS3, BUS4, BUS5: std_logic_vector (7 downto 0);

signal MemOut: STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);

–

begin

DD0: IR port map (Com => BUS1, Command => DataBus, IRin => IrIn, IrOut => S3,

Reset => Reset);

DD1: LogAnd port map (Sout => S5, in1 => bit_outs, in2 =>S4);

DD2: MAR port map (AdrIn => BUS0, AdrOut => Adr, CLK => CLK, MarIn => MarIn,

RST => Reset);

DD3: RAM port map (Adr => Adr, CS => CS, Data => MemOut, RdWr => RdWr);

DD4: MBR port map (CLK => CLK, DataIn => MemOut, DataOut => DataBus,

MbrIn => MbrIn, MbrInD => S6, MbrOut => MbrOut,

MbrOutD => S7, RST => Reset);

DD5: R0 port map (C => SR1, CLK => CLK, DataIn => DataBus, DataOut => DataBus,

RIn => RIn, ROut => ROut, RST => Reset);

DD6: R0 port map (C => SR2, CLK => CLK, DataIn => DataBus, DataOut => DataBus,

RIn => RIn, ROut => ROut, RST => Reset);

DD7: R0 port map (C => SR3, CLK => CLK, DataIn => DataBus, DataOut => DataBus,

RIn => RIn, ROut => ROut, RST => Reset);

DD8: R0 port map (C => SR4, CLK => CLK, DataIn => DataBus, DataOut => DataBus,

RIn => RIn, ROut => ROut, RST => Reset);

DD9: RA port map (CLK => CLK, DIn => DataBus, DOut => BUS3, RAIn => RaIn);

DD10: ALU port map (A => BUS4, B => DataBus, CLK => CLK, FC => FC_sig, FZ => S1,

Q => BUS5, SADD => SADD);

DD11: DC1 port map (Ale => S3, Com => BUS1, ComAdr => BUS2);

DD12: RZ port map (CLK => CLK, DIn => BUS5, DOut => DataBus, InvZ => JB,

RST => Reset, RZIn => RzIn, RZOut => RzOut);

DD13: INV port map (DIn => BUS3, DOut => BUS4, Inv => S2);

DD14: RDC port map (Number => DataBus, R1 => SR1, R2 => SR2, R3 => SR3,

R4 => SR4, RDCIn => RDCIn);

DD15: MUX port map (Adr0 => S9, Adr1 => S10, CLK => CLK, IN1 => BUS11,

IN2 => BUS2, IN3 => BUS6, MuxOut => N2, OUT1 => BUS7);

DD16: Add port map (Inc => N2, Reset => Reset, SIn => BUS7, SOut => BUS11);

DD17: CAR port map (CarIn => CLK, CarOut => N3, D => BUS7, Q => BUS8);

DD18: Memory port map (Adr => BUS8, InstrCom => BUS10, MrOut => N1, RD => N3);

DD19: CBR port map (Adr => BUS6, CS => CS, CbrIn => N1, IncPC => IncPC, Instr0 => S8,

Instr1 => S4, Instr2 => S10, InstrCom => BUS10, Inv => S2, InvZ => JB, IrIn => IrIn,

MarIn => MarIn, MbrIn => MbrIn, MbrInD => S6, MbrOut => MbrOut, MbrOutD => S7,

PCin => PCIN, RAIn => RaIn, RDCIn => RDCIn, Rin => RIn, ROut => ROut,

RdWr => RdWr,

RzIn => RzIn, RzOut => RzOut, SADD => SADD);

DD20: PC port map (AdrIn => DataBus, AdrOut => BUS0, CLK => CLK, IncPC => IncPC,

PCIn => PCIN, RST => Reset);

DD21: LogOR port map (SOut => S9, in1 => S5, in2 => S8);

DD22: R_1bit port map (CLK => CLK, reg_in =>FC_sig, reg_out => bit_outs, IE =>RzIn,

Zero=>S5);

FC<=FC_sig;

bit_out<=bit_outs;

end MPA;

Выводы

При выполнении работы было произведено моделирование процессора с устройством управления на основе памяти с одним полем адреса, имеющего ряд специальных регистров, а также четыре регистра общего назначения. Тестовая программа была успешно выполнена, что вполне свидетельствует о его корректной работе.

Структурная схема, разработанная в этой работе, естественно, не является единственно возможной. Но на ее примере можно усвоить основные принципы построения цифровых вычислительных систем, такие как микропрограммное управление, совместное использование шин процессора различными устройствами со всеми вытекающими отсюда требованиями к организации работы этих устройств: синхронизации, сингулярности передач информации и другими.

Данная схема обладает одной магистралью, она достаточно проста в исполнении, хотя одномагистральная система не всегда позволяет просто реализовать некоторые операции, а именно такая система занимает намного меньше места на печатной плате, чем двухмагистральная (и тем более трехмагистральная), что и дает ей преимущества при конструировании небольших устройств.

По диаграмме работы процессора видно, что выполнение команды JBC занимает в среднем 90 ns, команда сложения немного больше 183 ns, команд пересылки – 140ns. Полное выполнение всех команд по очереди производится за 630 ns. Начальная задержка работы процессора с четом всех задержек на всех элементах составила всего 1 ns, что очень мало.