基于FPGA的嵌入式PLC微處理器設計

前言

　　現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是近幾年來出現(xiàn)并被廣泛應用的大規(guī)模集成電路器件，它的特點是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時間短，技術維護簡單，工作可靠性好等。

　　硬件描述語言(VHDL)是用來描述硬件電路的功能，信號連接關系及時序關系的高級硬件編程語言，設計者可根據VHDL語言法則，對系統(tǒng)的邏輯進行行為描述，然后通過綜合工具進行電路結構的綜合、編譯、優(yōu)化，用仿真工具進行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時序仿真，可在短時間內設計出高效、穩(wěn)定、符合設計要求的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路。

　　該處理器采用了TOP—DOWN的層次網絡模塊化設計方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要邏輯功能，考慮到嵌入式CPU結構的復雜性和設計的可擴展性，在頂層設計中采用了原理圖的方法，通過VHDL對每個單元模塊進行了仿真和綜合，然后將綜合生成的各個模塊連接起來，組成了一個整體

　　1 系統(tǒng)設計

　　1．1 系統(tǒng)的功能

　　該PLC主要是用來與DSP共同實現(xiàn)數(shù)控機床中的部分操作，它主要執(zhí)行一些輔助的邏輯控制。它的主要任務如下：

　　(1)接收從DSP發(fā)送過來的指令字，并將其進行譯碼轉換成相應的命令信號，從而執(zhí)行相應的操作；(2)接收操作面板上的按鍵信號，并響應相應的操作；(3)給DSP發(fā)送應答信號以及狀態(tài)信息；(4)將處理的結果輸出到面板上以驅動相應的繼電器。

　　1．2 系統(tǒng)的組成部分

　　該系統(tǒng)的核心組成部分是由控制器、運算器以及I／0端口構成，如圖1所示。

　　控制器：控制器是由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器等組成，它是發(fā)布命令的“決策機構”。運算器：運算器由算術邏輯單元、暫存器以及數(shù)據緩沖器等組成，它是數(shù)據的加工處理部件。

　　I／0端口該PLC的I／O點數(shù)為l0點輸入和8點輸出。每個端口由輸入寄存器以及相應的端口控制部分組成。

　　2 系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

　　2．1 控制器

　　控制器的形式主要有組合邏輯控制器和微程序控制器兩種，與組合邏輯控制器相比較，微程序控制器具有規(guī)整性、靈活性、可維護性等一系列優(yōu)點 ，在計算機的設計中使用比較普遍，本控制器的設計采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。當機器運行時，一條又一條地讀出這些微指令，從而產生全機所需要的各種操作控制信號，使相應部件執(zhí)行所規(guī)定的操作 。

　　微程序控制器主要由控制存儲器(CM)，微地址產生邏輯，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等組成。

　　(1)機器指令與微程序。該處理器選取了PLC指令系統(tǒng)中的十條基本指令如表1所示，指令采用十位二進制編碼格式。

　　第9～6位是四位指令的操作碼字段；第5位是標志位，用來判斷該指令有無操作數(shù)(1一有操作數(shù)，0一無操作數(shù))；第4～0位是操作數(shù)字段。

　　表中每條機器指令對應一段微程序，一段微程序包含若干條微指令，微程序的設計就具體地可落實到微指令的設計 ，微指令中的控制字段作為控制命令控制計算機的操作，控制字段給出的微命令應包含計算機操作的所有微命令，對微命令給出和表示的方法與所采用的編碼方式有關，常用的微命令表示方法有直接表示法、編碼表示法、和混合表示法，該設計采用的是將直接表示法和編碼表示法混合使用的混合表示法。

　　該系統(tǒng)中的每條微指令為32位，其中低5位為下地址字段，直接送給微地址寄存器，第5～7位為測試字段，送到微地址產生邏輯電路里面以控制微地址的產生，其余位為用來產生各種微命令的控制字段。