1 引 言

微型計算機原理幾乎是所有理工科類大學生的必修課目之一， 其重要性不言而喻。然而大多數教學側重于應用方面， 對計算機的結構及工作原理涉之不深， 因為無法做一個CPU 來演示。這樣學生不能真正了解其性能特點， 掌握內部結構， 在學習匯編語言的時候增加了難度， 影響學習興趣。隨著可編程邏輯器件的廣泛應用， 給數字系統的設計帶來了極大的靈活性， 用戶可以利用現場可編程門陣列FPGA 來開發出一個適合自己的專用CPU， 對微型計算機的原理及結構進行充分理解與研究， 便于將來從事相關ASIC設計， 開發出創新型的產品， 為我國計算機發展做貢獻。

現場可編程門陣列FPGA 門數眾多， 人們可以將合適的IP軟核或其他形式的核作為嵌入式模塊裝在自己的設計中。但通常IP軟核需要門數較多的FPGA 器件支持， 作為學習來說的FPGA 芯片往往資源有限， 需要節約FPGA 的成本與面積; 并且沒必要實現所有功能， 只要做出關鍵部分及重要結構，明白其運行機理， 又能與真實的CPU 緊密相聯即可。實驗箱上采用的FPGA 芯片為A ltera 公司的EPF10K20TC144- 4。這里以Inte l的8085A 為例來說明8位計算機的工作原理。

2 8085A CPU 設計及實現

2. 1 FPGA 芯片及外圍電路簡介

A ltera的FLEX10K 器件是工業界首例嵌入式PLD， 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20帶有144個LAB （邏輯陣列塊） 和1152 個邏輯單元， 最大I/O數目為189。另外， 芯片中嵌入式陳列塊（ EAB）有6個， 其RAM 總位數為12288。

實驗涉及到FPGA 芯片的外圍部分包括控制開關、2* 8鍵盤輸入、6個數碼管輸出、8個輸入端口、8個輸出端口及2個中斷開關等。主要用來增添程序設計的靈活性及形象性， 使其可現場調試， 驗證結果， 避免單純用軟件仿真的不足。外圍電路控制模塊及結構可參見文獻［ 1］ 。

現場調試時可以通過控制開關， 手動從鍵盤輸入相應的地址及數據（通過數碼管顯示）， 輸錯可以修改; 用寫使能開關給RAM 寫入相應程序。當輸入完所有程序后， 按下運行開關即可執行程序， 在數碼管上顯示地址、數據及最終結果。控制開關用于配合鍵盤通過手動方式輸入程序， 可以形象化的現場編程。在軟件下載后不使用計算機， 通過按鈕、鍵盤就能將程序輸入到RAM 中， 然后運行， 顯示出結果。

2. 2 CPU模塊

2. 2. 1 內部結構

CPU 模塊的內部結構如圖1所示。微型計算機由下面幾個部分組成： 8位通用寄存器H、L， 16位程序計數器（ PC ） ， 16位堆棧指示器（ SP）， 一個加1 /減1 地址鎖存器（ ADD /ADR ）， 8 位NL 寄存器（ NL） ， 8位中斷時間寄存器（ T IMER ） ; 算術邏輯單元（ALU ）， 累加器（A ）， 標志寄存器（ FR ）， 數據選擇器（ SEL） ; 指令寄存器（ IR） ， 控制器（ CON ） ， 4選1多路選擇器（MUX） ， 存儲地址寄存器（MAR ） ， 8 位數據寄存器（MDR） ; 輸入數據寄存器（ INDT ）， 輸出數據寄存器（ OUTDT ）等部分組成。其中標志寄存器有4位， 分別是： 進位位（ Cy）、零位（ Z）、符號位（ S）、奇偶位（ P） ， 微機通過檢測這些標志位的1位或多位來判斷程序是否需要轉移。

圖1 微型計算機CPU 結構圖

圖中字母L為數據載入控制信號， E 為三態輸出選通信號， clk為時鐘信號， c lr為清零信號， W 為數據載入PC信號， Cpc為控制PC 加1信號， S3- S0為控制ALU 進行加減、邏輯運算或移位運算的選擇信號， Iadr、Dadr為加1 /減1地址鎖存器加1減1控制信號， Isp、Dsp為堆棧指示器的加1減1 控制信號， E ram、W ram 為讀寫RAM 控制信號。另外， 累加器（A ） ， 標志寄存器（ FR ）增加了專用的清零信號。

所有的控制、時鐘及清零信號由控制器（ CON）模塊給出， 而CON 模塊由外部時鐘clkin、清零信號rst及使能信號enable 控制。存儲地址寄存器（MAR ）用來給RAM輸送地址， 從RAM 讀指令和數據， 也可以給RAM寫數據。

A ltera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6個嵌入式陳列塊， 其RAM 總位數為12288。這里RAM 可配置為1024 * 8（ 1024個地址， 8位數據） ，直接調用參數可設置模塊庫中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件， 用文本編輯器編輯m if文件來初始化數據。如果不用FPGA 的內部RAM， 可外接64K的8位RAM， 即尋址空間為64K。

2. 2. 2 指令系統

內部工作原理和指令系統緊密相聯。本微機共有54條指令， 可分為8類， 即數據傳送指令、算術與邏輯運算指令、移位指令、增量與減量指令、堆棧操作及中斷指令、轉移指令、子程序調用及返回指令、其它指令等。指令系統與8080 /8085的指令系統表基本一致， 標志位的變化（無輔助進位位） 與其相同， 可參見文獻。

由于資源所限， 沒有使用8085A 所有的寄存器及某些功能， 如B、C、D、E 寄存器等， 但是這并不妨礙本微機能夠實現其絕大多數功能。從時鐘周期數（狀態數）來說， 比8085A 更少， 也就是說速度更快。

數據傳送指令有14條（一個n表示一個8位二進制數據）： 3個狀態數的movah （將H 的內容存入A ）、movha、mov la（將A 的內容存入L）、mova;l 4狀態的mvian（將數據n存入A）、mv ihn、mv iln、mvitn（將數據n 存入t ime寄存器， 此指令為新增） ; 5 狀態的movma（將A 的內容裝入HL所指的地址）、movam; 4狀態數的sphl（將HL寄存器的內容裝入SP）; 6狀態的inn（ n所指地址的內容給A ）、outn; 4狀態的cd _out（A內容給PC+ 1， 停機， 此指令為新增）等。

算術與邏輯運算指令有13 條： 3 狀態的cmc（ Cy符號取反）、stc（ Cy置1） 、cma（寄存器A 內容取反）; 4狀態的addh（將A 與H 相加后給A ）、adin（將A 與n相加后給A）、subh、su in、cmph（將A 與H相比較（只影響符號） ）、adch（將A 與H 及符號Cy相加后給A ）、sbbh、anah（將A 與H 寄存器的內容相與后給A ）、orah、xrah（將A 與H 異或后給A ）等。

移位指令有4條， 同8085A。增量與減量指令有4條， 只針對H、L寄存器。堆棧操作及中斷指令有8條： 7 狀態的pushh（ HL 壓入堆棧）、pushp（ AF壓入堆棧）; 6狀態的poph、popp; 8狀態的rsta（重新啟動）; 3狀態的etim e（ T 寄存器使能， 此指令為新增）、eint（中斷使能）、d int等。轉移指令有5條： 7狀態的jmpn（無條件轉移至程序nn， 低位在前）; 不跳轉時5狀態， 跳轉時7狀態的jnn（ Z= 1時轉移至程序nn）、jcn、jmn、jpen等。子程序調用及返回指令有2條： 11狀態的calln （保留當前PC， 轉移至程序nn， 低位在前）、7狀態的ret（返回）。其它指令有4條： 3狀態的nop、c lrF（標志寄存器清零， 此指令為新增）、clrA （A 清零， 此指令為新增）、hlt等。

狀態數的計算， 若本次指令的前面一指令為3狀態數時， 本指令將會減少1 狀態。如： movha，adin; 若第1指令movha前沒有其它3 狀態指令時，它是3個狀態， 而adin會減少1狀態， 由原來的4狀態變為3狀態。再如： mov la， movha; 則后一狀態由3狀態變成2狀態。其余類似（但不包括rsta）。

2. 2. 3 工作原理

由圖1可知， 不同的子模塊一共有20個， 每個模塊用VHDL程序來實現， 最后用元件例化語句構成總模塊。下面以設計算術邏輯部件模塊c_alu及控制模塊c_con為例簡要介紹一下思路。

（ 1）算術邏輯部件c_alu。

算術邏輯部件c_a lu非常占用FPGA的邏輯單元log ic cells， 需要盡量優化。S3- S0為控制ALU 進行加減、邏輯或移位運算的選擇信號， 一共可得到16種運算， 這里用了13種： 6種算術、3種邏輯運算和4種移位指令。如加法、減法、加1、減1、帶符號位加法、帶符號位減法; A 或B、A 與B、A 異或B; A 左移、A右移、A 帶Cy 左移、A 帶Cy右移等。另外， ALU 的運算直接影響到符號位的變化， 運算結果存入標志寄存器（ FR）。有關alu的運算多為4個狀態。

（ 2）控制模塊c_con。

占用FPGA 的邏輯單元log ic ce lls最多的是控制模塊c_con。在參考文獻［ 3］ 中的思路不再適合于稍大型的CPU 設計， 但它是理解如何控制CPU 信號的一個起點。對于一條指令應該細化到每一個步驟及每一位， 而不再是以一個控制字的方式去實現。以指令movah為例， 首先把PC 值送入MAR 寄存器， 此為狀態s0， 這時起作用的是Lmar; 然后在狀態s1時， PC值加1， 將存儲器單元中的內容讀入到IR， 這時Cpc、E ram、Lir起作用， Lmar不再起作用， 需要置0; 接著在狀態s2時， 對IR 寄存器中的指令進行譯碼， 所有的操作指令都是在此狀態譯碼（不包括rsta）。對于3狀態指令， 不保存指令， 直接執行， 然后跳轉到狀態s1。因此對于下一條指令來說， 其狀態數減1。

指令中狀態數最多的是子程序調用ca lln指令。

C alln指令要保存PC 值到SP- 1及SP- 2中， 然后跳轉到子程序。考慮到返回指令ret執行后， PC 要重新在原位置執行， 那么存入SP中的PC 值應該是在得到其指令后加3。對PC 進行單獨加3是一種思路， 但需要另外耗費資源， 并且增加狀態。這里采用了先把ca lln后的nn存入16位的加1 /減1 地址鎖存器， 然后保存PC 到SP， 再將nn 賦值給PC， 跳轉到子程序的方法。返回指令ret不僅可以用作子程序調用后的返回， 還可用于中斷的返回。

2. 3.。 FPGA 實現及編程思路

由于使用內部RAM， 其地址空間為0000 -03FFH。通常在00H 中放入28 （即jmpn， 跳轉指令） ， 將程序跳轉到從40H 開始。把03- 0EH 作為放常用變量的空間， 用inn及outn指令來調用， 以解決寄存器不足的缺陷。這也是一種編程思路， 可參見文獻［ 4］ 。0FH、1FH、2FH 分別為外部中斷0（ int0） ， 外部中斷1（ int1）， 定時器中斷（ time） 的起始位置。Int0優先級最高， int1次之， time最低。中斷信號高電平有效。中斷功能的實現是為了學習其工作原理， 只做了一個定時器中斷。計時為減1方式， 當計時為0時， 發出中斷信號。T ime中斷的使用方法： 首先關中斷（ dint）， 給T賦值（mv itn） ， 再開中斷（ e int）， T寄存器使能（ et ime）。此后， T 寄存器正常工作。若要再次使用， 首先給T 賦值， 然后T寄存器使能。

初始時的PC 為0000H， SP為03FFH。SP的更改可通過指令sph l來執行。針對實驗箱， 將8000-0FFFFH 作為輸出口地址， 4000 - 7FFFH 作為輸入口地址。而實際實驗箱上只定義了1個8位輸入， 1個8位輸出。IO 口的操作可通過movam 及movma指令去實現。

由于鍵盤輸入時， 要進行去抖動處理， 使用了兩種不同的時鐘頻率。鍵盤處理采用1KH z的頻率，而CPU 的工作時鐘可選擇實驗箱上的不同頻率， 從1H z到10MH z皆可， 甚至可以外接其它更高頻率。

如果采用1H z的clk in 頻率， 可以清楚地看到CPU工作的每一過程。

將本微機下載到實驗箱上， 已成功實現了乘法（用減1或右移的方法）， 調用子程序， IO 口的使用，中斷的使用等多項實驗， 驗證了CPU 設計的正確性。

3 結束語

QuartusII對微機進行編譯， 其邏輯單元LE 用到1151， 占100% 。用FPGA 來實現CPU 的功能， 研究其工作原理， 然后用Synp lify pro軟件對其進行門級研究， 對CPU 的面紗將不再感到神秘， 有利于做成專用集成電路ASIC， 控制其規模， 節約芯片成本與面積。同時， 也會增加對FPGA 的學習興趣和使用技巧， 開發出更多新的產品。