基于FPGA的簡易微機的結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用

引 言

通常，人們對微型計算機的工作原理及硬件結(jié)構(gòu)的了解來源于書本知識，深入理解掌握其功能特點比較困難，要自己親手去做一個類似功能的微型計算機更是不可能。隨著可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的靈活性，用戶可以利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來開發(fā)出一個精簡指令的CPU,同時對微型計算機的原理及結(jié)構(gòu)進行充分研究，便于將來進行相關(guān)ASIC（專用集成電路）設(shè)計，也可用于計算機原理教學(xué)之中。

1 微型計算機結(jié)構(gòu)及原理

以一個簡化的微型計算機為例，微型計算機的簡化結(jié)構(gòu)。

1.1 微型計算機結(jié)構(gòu)

微型計算機由PC（程序計數(shù)器）、IR（指令寄存器）、CON（控制部件）、MAR（存儲地址寄存器）、ROM（只讀存儲器）、A（累加器）、ALU（算術(shù)邏輯部件）、B（寄存器）、OUTREG（輸出寄存器）、DLEDDIS（數(shù)碼管動態(tài)掃描模塊）及DECL7S（顯示模塊）等組成。這里僅介紹有所改變或不同的模塊，其余可見文獻[1].

L為數(shù)據(jù)載入控制信號，E為三態(tài)輸出選通信號，clk為時鐘信號，clr為清零信號，Cp為控制PC加1信號，S0-S3為控制ALU進行加減或邏輯運算的選擇信號。所有的控制、時鐘及清零信號由CON模塊給出，而CON模塊由外部時鐘clkin及清零信號rst控制。PC可以置數(shù)，即可執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令。OUTREG可清零，便于多次調(diào)試。DLEDDIS及DECL7S用來把地址及結(jié)果在數(shù)碼管上顯示出來。

1.2 微型計算機原理

雖然這臺微型機可以實現(xiàn)16條指令，但本文對指令不做擴展，僅以5條指令為例。LDA為將數(shù)據(jù)裝入累加器A（操作碼0000）；ADD為進行加法運算（操作碼0001）；SUB為進行減法運算（操作碼0010）；OUT為輸出結(jié)果（操作碼1110）；HLT為停機（操作碼1111）。

在程序和數(shù)據(jù)裝入后，當(dāng)外部給出時鐘信號及清零信號無效時，由CON模塊發(fā)出信號及控制字，開始取出和執(zhí)行每條指令。如控制字順序為ErLrS3S2S1SOEuLm LbEaLaEi LiCpEpLp,這里L(fēng)r可用于存儲器為RAM時做寫使能信號。由于采用的是數(shù)據(jù)總線與地址總線合一的總線結(jié)構(gòu)，一條指令的執(zhí)行需要6個機器節(jié)拍，即前3節(jié)拍取指周期與后3節(jié)拍執(zhí)行周期。如執(zhí)行ADD 0AH,機器碼為1AH（0001 1001）。第1節(jié)拍將PC內(nèi)容送入MAR,控制字為“0000 0001 00000010”,即Ep與Lm為1;第2節(jié)拍將ROM中對應(yīng)地址單元中的內(nèi)容送到IR,IR高4位送至CON,控制字為“1000 0000 0000 1000”,即Er與Li為1;第3節(jié)拍使PC加1,控制字中Cp為1,其余為0;第4節(jié)拍將IR的低4位送至MAR,Ei與Lm為1;第5節(jié)拍將ROM中的內(nèi)容送入累加器A中，Er與La為1;第6節(jié)拍為加法運算，Eu與La為1,同時S0-s3選擇為加法運算。

2 FPGA實現(xiàn)

2.1 總線方式

總線方式是指嚴格按圖1用FPGA實現(xiàn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的微型機。本實驗采用上海航虹公司的AEDK實驗箱，F(xiàn)PGA芯片為Altera公司的EPF10K20TC144-4,軟件采用QuartusII4.0、Max+plusII10.0及synplifypr07.5,程序設(shè)計采用VHDL語言。

共有11個子模塊，最后用元件例化語句構(gòu)成總模塊。以設(shè)計程序計數(shù)器模塊C-PC及控制模塊C_CON為例簡單做一介紹。

當(dāng)三態(tài)輸出信號es選通時，即es=“1”,PC可輸出，否則輸出為高阻態(tài)。數(shù)據(jù)或地址與總線相關(guān)的子模塊都需采用三態(tài)門。由于采用了三態(tài)門，最好用QuartusⅡ軟件來進行編譯，Max+plusⅡ有時不一定可以通過。

用synplify pro7.5對C_PC模塊進行RTL（寄存器傳輸級）原理圖觀察，如圖2所示。其綜合電路與一個4位二進制計數(shù)器類似，只是多了一個三態(tài)門。用synplify pro7.5不僅可以觀察RTL電路，還可以觀察門級電路結(jié)，深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

C_CON模塊是最關(guān)鍵的模塊，因為所有的控制信號都由它發(fā)出。由于指令執(zhí)行需6個機器節(jié)拍，每個節(jié)拍對應(yīng)相應(yīng)功能，采用狀態(tài)機是實現(xiàn)此高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。如以下程序所示，每個狀態(tài)對應(yīng)著不同的控制字，共有6個狀態(tài)。

只讀存儲器模塊可使用LPM_ROM的LPM_FILE文件，便于調(diào)試不同的程序。

2.2 多路選擇器方式

多路選擇器方式是對總線方式的一種改進，可以實現(xiàn)地址總線與數(shù)據(jù)總線分離，一條指令的執(zhí)行只需4個機器節(jié)拍，極大地提高了運行速度。對圖1進行略微改變，如圖3所示。其中程序計數(shù)器模塊duolu_PC及指令寄存器模塊duolu_IR不再有三態(tài)門，對其控制也相應(yīng)簡化。增加了2個二選一多路選擇器。下面介紹其工作原理。

狀態(tài)s0（第1節(jié)拍）時，首先判斷有沒有加減法指令，若有則發(fā)出控制信號，PC值同時送入MAR.如控制字順序為ErLrS3S2 S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp,有加法時，其控制字為“0000 1011 0010 0010”,當(dāng)S3S2S1S0為“0001”時做加法運算；沒有加減法時則控制字為“0000 0001 0000 0010”.狀態(tài)s1時，PC值加1,將存儲器單元中的內(nèi)容讀人到IR,其控制字為“1000 0000 0000 1100”,注意當(dāng)給程序計數(shù)器置數(shù)時，Lp才為l,多路選擇器選通由IR米置數(shù)。狀態(tài)s2和s3與總線方式的第4和第5節(jié)拍類似。整個周期可簡化為判斷與置地址、讀數(shù)、判斷與置地址、讀數(shù)4個步驟。

這里的多路選擇器方式僅僅是略微改變，不是指全部，只是提出一種方法。

2.3 功能描述方式

功能描述方式是指充分利用VHDL語言的行為描述能力，從功能描述的角度來實現(xiàn)簡易微型計算機。除了調(diào)用ROM模塊及OUTREG、DLEDDIS、DECL7S外，其余子模塊被包含在一個整體C_SIM_CPU模塊內(nèi)，每一個狀態(tài)實現(xiàn)一定的功能。同樣，C_SIM_CPU模塊只需4個狀態(tài)即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。部分程序如以下所示，不再采用控制字的方式。

C_SIM_CPU模塊由于強調(diào)實現(xiàn)功能，其語句不同用戶有著不同寫法，不同的綜合軟件也會生成不同的結(jié)構(gòu)，因而這里不再展開討論。

2.4 3種方式比較

用QuartusⅡ4.0對總線方式、多路選擇器方式及功能描述方式分別進行編程下載，都可以實現(xiàn)一些簡單的計算程序，在數(shù)碼管上顯示出地址及相應(yīng)結(jié)果。如果采用1 Hz的clkin頻率，動態(tài)掃描頻率單獨用1 kHz時，可以清楚地看到每一過程。

QuartusⅡ4.0對總線方式、多路選擇器方式及功能描述方式編譯，其LE（邏輯單元）分別為：232、206、143.功能描述方式資源利用最優(yōu)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。多路選擇器方式優(yōu)于總線方式，不僅是在資源利用上，還是在執(zhí)行速度上。當(dāng)然，總線方式對于模塊的擴展方面要強于多路選擇器方式。

如果想更深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用Synplifypro軟件觀察這3種方式的RTL電路及門級電路。用Synplify pro軟件進行綜合，顯示所需的LE比QuartusⅡ4.0更少。

3 結(jié)束語

微型計算機的原理及結(jié)構(gòu)一般不易理解掌握，利用FPGA來學(xué)習(xí)并構(gòu)建一個簡易微型計算機無疑是一個好方法，對EDA的軟硬件學(xué)習(xí)也是一個不錯的選擇，可為將來進行相關(guān)ASIC沒計打下良好的基礎(chǔ)。