利用MAX-PLUSII完成微程序控制器中环形脉冲发生器的设计

利用ＭＡＸ－ＰＬＵＳＩＩ完成微程序控制器中环形脉冲发生器的设计

作者：谷赫

来源：《商情》2008年第43期

【摘要】本文介绍了微程序控制器中时序信号的产生过程，并利用Max+PlusⅡ软件对逻辑功能进行验证，通过仿真设计，可以直观的看到设计效果，得到预计中的环型脉冲。该软件的应用是对硬件课程的教学方法的一个改进。

【关键词】Max+PlusⅡ仿真时序信号环型脉冲

1 前言

随着计算机的广泛应用和教学条件的不断改善，教学方式由以前单一的传统教学演变成计算机辅助教学模式。对应于一些软件语言类课程，在开发环境下，学生可以看到直观的效果。然而，对于一些硬件课程，由于课堂环境的限制，不能在所需的实验设备上看到直观的效果，大大抑制了学生的学习兴趣，使实践环节和理论缺乏连贯性。为此，我们采用Max+PlusⅡ软件的设计系统来仿真一些电路的逻辑功能，使理论与仿真验证相结合，克服传统教学中的不足，激发了学生的学习积极性和创造性，培养了学生的实践能力，有效地提高了教学质量，将抽象的逻辑教学形象化和直观化。

本文借助MAX-PLUSII软件设计完成微程序控制器中环形脉冲发生器的设计。

2 Max+PlusⅡ软件介绍

Max+PlusⅡ是美国Altera公司推出的纯西文的复合可编程逻辑器件，它具有完全集成化的易学、易用的可视化设计环境，可运行在多种平台上。它包括逻辑输入、功能模拟、编译、同步模拟、编译烧录等过程。本软件的主要作用是仿真和综合，通过原理图输入方式建立电路，编译后通过仿真对电路功能进行测试验证。使用的设计者不需要精通器件内部的复杂结构，可以用自己熟悉的设计工具建立设计，把这些设计自动转换成最终所需的格式，设计速度快，是被公认的最易使用，人机界面最有善的PLD开发软件。

3 微程序控制器的时序信号

众所周知，计算机系统的核心部件是中央处理器，也就是我们平常所说的CPU，而CPU 又是由运算器、控制器和寄存器组构成的。这些部分能够帮助计算机完成指令控制，操作控

制，时间控制和数据加工等功能。其中时间控制是提供计算机准确，迅速，有条不紊的工作的重要条件。

时间控制的实现正是因为在CPU中有一个时序信号产生器而完成的。机器一旦被启动，即CPU开始取指令并执行指令时，操作控制器就利用定时脉冲的顺序和不同脉冲间隔，有条理有节奏的指挥机器的操作，规定在这个脉冲到来是做什么，那个脉冲到来是又做什么，给计算机各部分提供工作所需的时间标志。而时间标志则是用时序信号来体现的。

在硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期——节拍电位——节拍脉冲三级体制。在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位——节拍脉冲二级体制。就是说，它只有一个节拍电位，在节拍电位中又包含若干节拍脉冲。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。正是有个这些节拍，计算机才能在时序的控制下规范操作。

4 利用MAX-PLUSII完成环形脉冲发生器的设计过程

4.1环行脉冲发生器

环形脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相等或不相等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲。

本设计中使用了4个D触发器及若干逻辑门，其中CLK作为输入的时钟信号源，T1、

T2、T3、T4为输出信号，设计目的就是要在输出端得到所需要的环行脉冲。

4.2利用MAX-PLUSII完成电路的设计

启动MAX-PLUSII，在主菜单中利用File-New建立一个新文件，并以.gdf为扩展名，进入空白编辑界面。在主菜单中选择File-saev as，输入文件名，并选中File-Proiect-Name，输入与文件名相同的项目名，在编辑界面内将设计的电路绘制完成，如图1所示：

图1 电路原理图

电路绘制完成后，更改输入引脚和输出引脚的名称，将输入引脚定义为CLK，将输出引脚定义为T1、T2、T3、T4，在主菜单中选择File-save保存文件。根据输出端的逻辑电路可以得到对应的逻辑表达式：

我们分析图中每个D触发器的工作过程，其中C4是整个系统的总清控制端，电路启动后，C4、C3、C2、C1的状态决定了T1、T2、T3、T4的输出状态。

4.3编辑项目

在这里需要启动编辑程序来编辑项目，MAX-PLUSII编辑器将检查项目中的错误，并进行逻辑综合。在菜单中选择Compiler项，点击Start按钮，编辑开始，若有任何错误和警告信息都将显示在自动打开的Message-Compiler窗口中。编辑无误后可进行下一步操作。

4.4建立波形仿真文件

通过File-New-Waveform Editor file建立扩展名为.SCF的波形文件，在File菜单中选择End Time，在Option菜单中，选择Grid Size，在对话框中键入脉冲宽度，在Node菜单中选择Enter Nodes From SNF菜单项，列出输入输出节点。

图2 环型脉冲仿真模型

点击OK后将得到的波形文件保存，并对输入引脚进行赋值，信号的输入可以是电平方式也可以是脉冲方式，在本例中只有一个输入引脚，即CLK，并且该输入应该是脉冲型输入，在CLK引脚上单击右键，在出现的菜单上选择Overwrite项的Clock，出现对话框点击OK即可。选择主菜单MAX-PLUS II中的Simulator项，打开模拟器，选择Start开始仿真。观察仿真波形如图2所示：

其中的T1、T2、T3、T4就是计算机工作所需要的节拍脉冲，节拍的宽度取决于时钟源的输入频率，输入的时钟源用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号，它通常由时钟晶体震荡器和与非门组成的正反馈震荡电路组成，其输出送至环形脉冲发生器。

通过仿真出的波形可以很直观的看到该时序正是我们分析所希望得到的结果。设计中可以通过改变CLK的脉冲宽度来得到不同周期的节拍电位。

5总结

利用该软件的辅助设计，让学生从基本逻辑电路的设计出发，通过仿真结果了解各个基本电路的特性，加深对计算机组织结构的理解。整个设计过程可以使教学和实验验证同步进行，并能将抽象的理论知识，用科学、直观的方式展示出来，对培养实践能力能起到良好的效果。

参考文献：

[1]白中英.计算机组成原理.科学出版社，2001，11.

[2]宋红，李庆义.计算机组成原理.中国铁道出版社，2004，01.

[3]苏新红，尹立强.Max+PlusⅡ在数字电路教学中的应用.软件导刊，2008，6.