基于VLSI 平臺的AVR 處理器仿真與設(shè)計

　　3 Virtual AVR 實現(xiàn)

　　通過對FPGA和MCU的深入了解，可知使用FPGA的豐富資源來虛擬出MCU是完全可行的。首先，需設(shè)計一個總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。ROM用于存放被執(zhí)行程序及二進(jìn)制代碼，RAM 為運(yùn)行內(nèi)存，用總線將VirtualMCU Core與各外設(shè)相連。使用該結(jié)構(gòu)可簡化設(shè)計，無需對外設(shè)重復(fù)設(shè)計，只要使Virtual MCU Core滿足同一接口即可。

　　Virtual MCU Core由幾部分構(gòu)成：算術(shù)邏輯單元，運(yùn)算的主要單元；譯碼器，由二進(jìn)制文件判斷指令類型并獲得源操作數(shù)和目的操作數(shù)等；寄存器，用于參加運(yùn)算和存儲某些中間值等。

　　Virtual AVR Core 以ATmega103處理器為參考，核心采用RISC結(jié)構(gòu)，3級流水線結(jié)構(gòu)，因為是哈佛結(jié)構(gòu)，所以分為數(shù)據(jù)存儲器和指令存儲器。它的處理器核心如圖4所示。同時ATmega103共有130條指令，每條指令都是固定結(jié)構(gòu)，為16 位。在該設(shè)計中，移植了Open-Cores開源組織的8位AVR核，它支持3級流水線，兼容標(biāo)準(zhǔn)AVR微處理器。

　　ALU的實現(xiàn)采用模塊化設(shè)計，共分為控制模塊、加減法模塊和乘除法模塊。3級流水線設(shè)計如下：

　　stage0:FETCH,給出指令地址，并讀取相應(yīng)的指令，主要由譯碼機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)；stage1:ALU/MEM,ALU運(yùn)算，或數(shù)據(jù)存儲器操作，讀數(shù)據(jù)存儲器時，在地址總線上給出正確的值，當(dāng)寫數(shù)據(jù)存儲器時，不僅需要提供正確的地址，還需要在數(shù)據(jù)總線上提供正確的數(shù)據(jù)，主要由運(yùn)算機(jī)構(gòu)和總線控制機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

　　Stage2:LOAD,從數(shù)據(jù)線上獲取數(shù)據(jù)，存至寄存器中，主要由寄存器機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

　　在一個系統(tǒng)中光有處理器是不夠的，需要有豐富的外設(shè)來滿足各種控制要求或數(shù)據(jù)傳輸功能，而片內(nèi)總線便是將處理器與總線連接的重要途徑。文中采用Sili-core的Wishbone總線進(jìn)行設(shè)計，具有簡單、開放、高效和方便實現(xiàn)等特點，且完全開放并沒有專利保護(hù)。Wish-bone有四種連接模式：點對點、數(shù)據(jù)流、共享總線和十字交叉互聯(lián)。文中使用共享總線連接方式，其中充當(dāng)Master為Virtual Core,而外設(shè)為Slaver.

　　為使Virtual Core能與外部器件進(jìn)行通信，需要外設(shè)的支持。外設(shè)按數(shù)據(jù)流類型分為串行和并行，常用的串行外設(shè)有SPI、I2C、UART 等，常用的并行外設(shè)有GPIO等。

　　4 硬件支持與測試

　　硬件環(huán)境主要分為兩部分：第一部分為核心板，用以支持Virtex-Ⅱ Pro的運(yùn)行；第二部分為底板，主要為添加外設(shè)環(huán)境，豐富系統(tǒng)的功能。選用XC2VP50FFG1152芯片作為核心的FPGA,在外圍又添加了DDR和SDRAM,方便自由選擇存儲器類型。FP-GA掉電后，內(nèi)容自動消失，每上電需要重新配置，為讓FPGA 上電后自動配置，需加一片PROM,使用XCF32P.FPGA采用并行主模式。底板上則是增加大量外設(shè)：UART、PS2、VGA、ETHERNET、VIDEO、A/D、D/A、SD、USB等。

　　Virtual Core執(zhí)行的程序都是固化在ROM中，為達(dá)到測試要求，要多次更新ROM中內(nèi)容，為此使用嵌入式開發(fā)套件（Embedded Development Kit,EDK）來開發(fā)一個測試工具。首先將BRAM配置為雙端口RAM,一端口給Virtual Core來進(jìn)行讀取操作，一端口給EDK,來更新程序存儲器。同時EDK也可提供簡單的控制任務(wù)，如重啟Virtual Core 等，EDK 使用UART 和計算機(jī)進(jìn)行操作。為方便控制，設(shè)計一個較為簡單的PC端串口程序，用于將EDK與PC交互，主要是將用戶的命令或文件經(jīng)串口發(fā)送至EDK,如圖5所示。搭建一個簡易測試系統(tǒng)，使用ISE工具，進(jìn)行綜合布局布線，其資源消耗如圖6所示。編寫一個跑馬燈程序，代碼如下：