基于FPGA和VHDL的簡易微機的結構分析與應用 - 全文

　　電子發燒友網核心提示：通常，人們對微型計算機的工作原理及硬件結構的了解來源于書本知識，深入理解掌握其功能特點比較困難，要自己親手去做一個類似功能的微型計算機更是不可能。隨著可編程邏輯器件的廣泛應用，為數字系統的設計帶來了極大的靈活性，用戶可以利用FPGA（現場可編程門陣列）來開發出一個精簡指令的CPU，同時對微型計算機的原理及結構進行充分研究，便于將來進行相關ASIC（專用集成電路）設計，也可用于計算機原理教學之中。

　　1 微型計算機結構及原理

　　以一個簡化的微型計算機為例，微型計算機的簡化結構。

　　1.1 微型計算機結構

　　微型計算機由PC（程序計數器）、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（算術邏輯部件）、B（寄存器）、OUTREG（輸出寄存器）、DLEDDIS（數碼管動態掃描模塊）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。

　　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，clr為清零信號，Cp為控制PC加1信號，S0-S3為控制ALU進行加減或邏輯運算的選擇信號。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，即可執行跳轉指令。OUTREG可清零，便于多次調試。DLEDDIS及DECL7S用來把地址及結果在數碼管上顯示出來。

　　1.2 微型計算機原理

　　雖然這臺微型機可以實現16條指令，但本文對指令不做擴展，僅以5條指令為例。LDA為將數據裝入累加器A（操作碼0000）；ADD為進行加法運算（操作碼0001）；SUB為進行減法運算（操作碼0010）；OUT為輸出結果（操作碼1110）；HLT為停機（操作碼1111）。

　　在程序和數據裝入后，當外部給出時鐘信號及清零信號無效時，由CON模塊發出信號及控制字，開始取出和執行每條指令。如控制字順序為ErLrS3S2S1SOEuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，這里Lr可用于存儲器為RAM時做寫使能信號。由于采用的是數據總線與地址總線合一的總線結構，一條指令的執行需要6個機器節拍，即前3節拍取指周期與后3節拍執行周期。如執行ADD 0AH，機器碼為1AH（0001 1001）。第1節拍將PC內容送入MAR，控制字為“0000 0001 00000010”，即Ep與Lm為1;第2節拍將ROM中對應地址單元中的內容送到IR，IR高4位送至CON，控制字為“1000 0000 0000 1000”，即Er與Li為1;第3節拍使PC加1，控制字中Cp為1，其余為0;第4節拍將IR的低4位送至MAR，Ei與Lm為1;第5節拍將ROM中的內容送入累加器A中，Er與La為1;第6節拍為加法運算，Eu與La為1，同時S0-s3選擇為加法運算。

　　2 FPGA實現

　　2.1 總線方式

　　總線方式是指嚴格按圖1用FPGA實現相應結構的微型機。本實驗采用上海航虹公司的AEDK實驗箱，FPGA芯片為Altera公司的EPF10K20TC144-4，軟件采用QuartusII4.0、Max+plusII10.0及synplifypr07.5，程序設計采用VHDL語言。

　　共有11個子模塊，最后用元件例化語句構成總模塊。以設計程序計數器模塊C-PC及控制模塊C_CON為例簡單做一介紹。

　　當三態輸出信號es選通時，即es=“1”，PC可輸出，否則輸出為高阻態。數據或地址與總線相關的子模塊都需采用三態門。由于采用了三態門，最好用QuartusⅡ軟件來進行編譯，Max+plusⅡ有時不一定可以通過。

　　用synplify pro7.5對C_PC模塊進行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位二進制計數器類似，只是多了一個三態門。用synplify pro7.5不僅可以觀察RTL電路，還可以觀察門級電路結，深入了解其內部結構。

　　C_CON模塊是最關鍵的模塊，因為所有的控制信號都由它發出。由于指令執行需6個機器節拍，每個節拍對應相應功能，采用狀態機是實現此高效率、高可靠邏輯控制的重要途徑。如以下程序所示，每個狀態對應著不同的控制字，共有6個狀態。

　　只讀存儲器模塊可使用LPM_ROM的LPM_FILE文件，便于調試不同的程序。

　　2.2 多路選擇器方式

　　多路選擇器方式是對總線方式的一種改進，可以實現地址總線與數據總線分離，一條指令的執行只需4個機器節拍，極大地提高了運行速度。對圖1進行略微改變，如圖3所示。其中程序計數器模塊duolu_PC及指令寄存器模塊duolu_IR不再有三態門，對其控制也相應簡化。增加了2個二選一多路選擇器。下面介紹其工作原理。

　　狀態s0（第1節拍）時，首先判斷有沒有加減法指令，若有則發出控制信號，PC值同時送入MAR.如控制字順序為ErLrS3S2 S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，有加法時，其控制字為“0000 1011 0010 0010”，當S3S2S1S0為“0001”時做加法運算；沒有加減法時則控制字為“0000 0001 0000 0010”。狀態s1時，PC值加1，將存儲器單元中的內容讀人到IR，其控制字為“1000 0000 0000 1100”，注意當給程序計數器置數時，Lp才為l，多路選擇器選通由IR米置數。狀態s2和s3與總線方式的第4和第5節拍類似。整個周期可簡化為判斷與置地址、讀數、判斷與置地址、讀數4個步驟。

　　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語言的行為描述能力，從功能描述的角度來實現簡易微型計算機。除了調用ROM模塊及OUTREG、DLEDDIS、DECL7S外，其余子模塊被包含在一個整體C_SIM_CPU模塊內，每一個狀態實現一定的功能。同樣，C_SIM_CPU模塊只需4個狀態即可實現相應功能。部分程序如以下所示，不再采用控制字的方式。