基于FPGA的簡(jiǎn)易微機(jī)的結(jié)構(gòu)分析與實(shí)現(xiàn)

引 言

通常，人們對(duì)微型計(jì)算機(jī)的工作原理及硬件結(jié)構(gòu)的了解來(lái)源于書本知識(shí)，深入理解掌握其功能特點(diǎn)比較困難，要自己親手去做一個(gè)類似功能的微型計(jì)算機(jī)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(jì)帶來(lái)了極大的靈活性，用戶可以利用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)來(lái)開(kāi)發(fā)出一個(gè)精簡(jiǎn)指令的CPU，同時(shí)對(duì)微型計(jì)算機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分研究，便于將來(lái)進(jìn)行相關(guān)ASIC(專用集成電路)設(shè)計(jì)，也可用于計(jì)算機(jī)原理教學(xué)之中。

1 微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

以一個(gè)簡(jiǎn)化的微型計(jì)算機(jī)為例，微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

1.1 微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)由PC(程序計(jì)數(shù)器)、IR(指令寄存器)、CON(控制部件)、MAR(存儲(chǔ)地址寄存器)、ROM(只讀存儲(chǔ)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(dòng)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(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

L為數(shù)據(jù)載入控制信號(hào)，E為三態(tài)輸出選通信號(hào)，clk為時(shí)鐘信號(hào)，clr為清零信號(hào)，Cp為控制PC加1信號(hào)，S0-S3為控制ALU進(jìn)行加減或邏輯運(yùn)算的選擇信號(hào)。所有的控制、時(shí)鐘及清零信號(hào)由CON模塊給出，而CON模塊由外部時(shí)鐘clkin及清零信號(hào)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(lái)把地址及結(jié)果在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。

1.2 微型計(jì)算機(jī)原理

雖然這臺(tái)微型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)16條指令，但本文對(duì)指令不做擴(kuò)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(jìn)行加法運(yùn)算(操作碼0001);SUB為進(jìn)行減法運(yùn)算(操作碼0010);OUT為輸出結(jié)果(操作碼1110);HLT為停機(jī)(操作碼1111)。

在程序和數(shù)據(jù)裝入后，當(dāng)外部給出時(shí)鐘信號(hào)及清零信號(hào)無(wú)效時(shí)，由CON模塊發(fā)出信號(hào)及控制字，開(kāi)始取出和執(zhí)行每條指令。如控制字順序?yàn)镋rLrS3S2S1SOEuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，這里L(fēng)r可用于存儲(chǔ)器為RAM時(shí)做寫使能信號(hào)。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(gè)機(jī)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(jī)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(duì)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(yùn)算，Eu與La為1，同時(shí)S0-s3選擇為加法運(yùn)算。

2 FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 總線方式

總線方式是指嚴(yán)格按圖1用FPGA實(shí)現(xiàn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的微型機(jī)。本實(shí)驗(yàn)采用上海航虹公司的AEDK實(shí)驗(yàn)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(jì)采用VHDL語(yǔ)言。

共有11個(gè)子模塊，最后用元件例化語(yǔ)句構(gòu)成總模塊。以設(shè)計(jì)程序計(jì)數(shù)器模塊C-PC及控制模塊C_CON為例簡(jiǎn)單做一介紹。

當(dāng)三態(tài)輸出信號(hào)es選通時(shí)，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(lái)進(jìn)行編譯，Max+plusⅡ有時(shí)不一定可以通過(guò)。

用synplify pro7.5對(duì)C_PC模塊進(jìn)行RTL(寄存器傳輸級(jí))原理圖觀察，如圖2所示。其綜合電路與一個(gè)4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器類似，只是多了一個(gè)三態(tài)門。用synplify pro7.5不僅可以觀察RTL電路，還可以觀察門級(jí)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?yàn)樗械目刂菩盘?hào)都由它發(fā)出。由于指令執(zhí)行需6個(gè)機(jī)器節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)相應(yīng)功能，采用狀態(tài)機(jī)是實(shí)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(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的控制字，共有6個(gè)狀態(tài)。

只讀存儲(chǔ)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(duì)總線方式的一種改進(jìn)，可以實(shí)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(gè)機(jī)器節(jié)拍，極大地提高了運(yùn)行速度。對(duì)圖1進(jìn)行略微改變，如圖3所示。其中程序計(jì)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(duì)其控制也相應(yīng)簡(jiǎn)化。增加了2個(gè)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(shí)，首先判斷有沒(méi)有加減法指令，若有則發(fā)出控制信號(hào)，PC值同時(shí)送入MAR。如控制字順序?yàn)镋rLrS3S2 S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，有加法時(shí)，其控制字為“0000 1011 0010 0010”，當(dāng)S3S2S1S0為0001”時(shí)做加法運(yùn)算;沒(méi)有加減法時(shí)則控制字為0000 0001 0000 0010”。狀態(tài)s1時(shí)，PC值加1，將存儲(chǔ)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(jì)數(shù)器置數(shù)時(shí)，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(gè)周期可簡(jiǎn)化為判斷與置地址、讀數(shù)、判斷與置地址、讀數(shù)4個(gè)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(yǔ)言的行為描述能力，從功能描述的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易微型計(jì)算機(jī)。除了調(diào)用ROM模塊及OUTREG、DLEDDIS、DECL7S外，其余子模塊被包含在一個(gè)整體C_SIM_CPU模塊內(nèi)，每一個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)一定的功能。同樣，C_SIM_CPU模塊只需4個(gè)狀態(tài)即可實(shí)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(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)功能，其語(yǔ)句不同用戶有著不同寫法，不同的綜合軟件也會(huì)生成不同的結(jié)構(gòu)，因而這里不再展開(kāi)討論。

2.4 3種方式比較

用QuartusⅡ4.0對(duì)總線方式、多路選擇器方式及功能描述方式分別進(jìn)行編程下載，都可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的計(jì)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(dòng)態(tài)掃描頻率單獨(dú)用1 kHz時(shí)，可以清楚地看到每一過(guò)程。

QuartusⅡ4.0對(duì)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(duì)于模塊的擴(kuò)展方面要強(qiáng)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(jí)電路。用Synplify pro軟件進(jìn)行綜合，顯示所需的LE比QuartusⅡ4.0更少。

3 結(jié)束語(yǔ)

微型計(jì)算機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)一般不易理解掌握，利用FPGA來(lái)學(xué)習(xí)并構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)易微型計(jì)算機(jī)無(wú)疑是一個(gè)好方法，對(duì)EDA的軟硬件學(xué)習(xí)也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，可為將來(lái)進(jìn)行相關(guān)ASIC沒(méi)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。