基于FPGA的簡易微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析與實(shí)現(xiàn)

引 言

通常，人們對微型計(jì)算機(jī)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(diǎn)比較困難，要自己親手去做一個類似功能的微型計(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(jì)算機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分研究，便于將來進(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

以一個簡化的微型計(jì)算機(jī)為例，微型計(jì)算機(jī)的簡化結(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(xiàn)[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(jìn)行加減或邏輯運(yùn)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(jì)算機(jī)原理

雖然這臺微型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)16條指令，但本文對指令不做擴(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?yàn)镋rLrS3S2S1SOEuLm 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(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(jì)程序計(jì)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(jìn)行編譯，Max+plusⅡ有時不一定可以通過。

用synplify pro7.5對C_PC模塊進(jìn)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(jìn)制計(jì)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?yàn)樗械目刂菩盘柖加伤l(fā)出。由于指令執(zhí)行需6個機(jī)器節(jié)拍，每個節(jié)拍對應(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。