Σχεδίαση και υλοποίηση μονάδας επεξεργασίας για αριθμούς 8-bit με την γλώσσα VHDL και το λογισμικό Quartus II

Abstract

Εκμεταλλευόμενοι τα πρότυπα της ψηφιακής λογικής και τις δυνατότητες των ψηφιακών κυκλωμάτων, είναι δυνατή η σύνθεση πολύπλοκων συστημάτων που εξυπηρετούν διάφορους σκοπούς. Τέτοια συστήματα μπορεί να είναι συστήματα ελέγχου, συστήματα υπολογιστών, μετάδοσης δεδομένων και πολλές άλλες εφαρμογές που απαιτούν ψηφιακό ηλεκτρονικό υλικό. Στην πτυχιακή εργασία που αναπτύχθηκε, παρουσιάζεται η σχεδίαση και η υλοποίηση, ενός σύνθετου ψηφιακού συστήματος, μίας Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας. Στόχος της εργασίας είναι να εφαρμόσει στην πράξη τις αρχές λειτουργίας επεξεργαστών, και να δώσει μία σαφή εικόνα της δομής αυτών. Σκοπός μίας ΚΜΕ είναι να ακολουθεί μία σειρά εντολών (Instructions) που ονομάζεται πρόγραμμα (program) και να επεξεργάζεται τα δεδομένα (data) που δέχεται στις εισόδους της. Για την κατανόηση αυτού του σκοπού, αρχικά αποσαφηνίζονται έννοιες που συνδέονται με την αρχιτεκτονική του συνόλου εντολών, τους καταχωρητές και τους τρόπους διευθυνσιοδότησης. Στην συνεχεία, αναλύονται τα δομικά στοιχεία που συνθέτουν τον επεξεργαστή, οι λειτουργίες τους, καθώς και οι τρόποι με τους οποίους αυτά συνεργάζονται, για να παράγουν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Κάνοντας μία συνοπτική αναφορά στην λογική υλοποίησης, ο επεξεργαστής χωρίζεται στον χειριστή δεδομένων, στην μονάδα ελέγχου, στην μονάδα συναρτήσεων και στην εσωτερική μνήμη. Ο επεξεργαστής που αναπτύχθηκε χαρακτηρίζεται ως γενικού σκοπού και ακολουθεί πρότυπα RISC αρχιτεκτονικής. Μεταξύ των δύο τύπων αρχιτεκτονικής του συνόλου εντολών, επιλέχθηκε η RISC, καθώς ικανοποιεί τις σχεδιαστικές απαιτήσεις του συστήματος που τέθηκαν από την αρχή. Έτσι κατασκευάστηκε ένα απλό και κατανοητό κύκλωμα αποφεύγοντας την πολυπλοκότητα που χαρακτηρίζει τους CISC επεξεργαστές. Σημειώνεται ότι κατά την σχεδίαση δόθηκε έμφαση στην λειτουργικότητά της ΚΜΕ και όχι στις επιδόσεις της. Η περιγραφή της δομής και της συμπεριφοράς του συστήματος έγινε με την γλώσσα περιγραφής ψηφιακών κυκλωμάτων VHDL και σαν εργαλείο σχεδίασης χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Quartus II της εταιρίας Altera. Με την βοήθεια του εργαλείου αυτού ή οποιουδήποτε παραπλήσιου λογισμικού, σε συνδυασμό με τις δυνατότητες που παρέχει η γλώσσα VHDL, γίνεται εφικτή η υλοποίηση πολύπλοκων ψηφιακών σχεδίων, με μεγαλύτερη ακρίβεια και σε λιγότερο χρόνο.