基于8086 CPU 的單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，在一顆芯片上集成上百萬(wàn)甚至上億個(gè)晶體管已成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在，芯片廠商都以面積最小化、功能最大化作為自己的發(fā)展方向，深亞微米效應(yīng)理論及IP 核技術(shù)越來(lái)越受到理論界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，系統(tǒng)芯片是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，它的發(fā)展一直是將越來(lái)越多的功能集成在越來(lái)越小的空間內(nèi)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在某些特定領(lǐng)域，半導(dǎo)體制造業(yè)朝著整合型單芯片系統(tǒng)的總體趨勢(shì)將會(huì)日益明顯。

所謂單芯片計(jì)算機(jī)即是將傳統(tǒng)PC 機(jī)箱里的主板上的芯片組、CPU、內(nèi)存、顯卡、聲卡和網(wǎng)卡等最大限度的集成在單個(gè)芯片中。單芯片計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)PC 相比，重量、體積和功耗大幅下降，從而系統(tǒng)性能將得到很大地改善，同時(shí)帶來(lái)價(jià)格的突破性下降，直接促進(jìn)計(jì)算機(jī)的迅速普及。

本文搭建的單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)8086 CPU，集成了AMBA 總線、SDRAM、8255、ROM 等外圍IP，并在Altera DE2 FPGA 開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了功能演示。

2 單芯片計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況

單芯片計(jì)算機(jī)是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口，通過(guò)總線連接，構(gòu)成了單芯片計(jì)算機(jī)的基本系統(tǒng)。單芯片計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，是以CPU 為核心開(kāi)展的I/O和外設(shè)集成過(guò)程，是基本的SoC 設(shè)計(jì)流程。

近幾年，Intel、AMD 和VIA 等微處理器制造商紛紛推出平臺(tái)策略，將微處理器和芯片組組合在一起，形成一個(gè)完整的解決方案，并計(jì)劃將來(lái)進(jìn)一步推出集成所有芯片的單芯片微處理器。Intel 公司頻推平臺(tái)策略，計(jì)劃進(jìn)一步推出整合所有芯片的單芯片計(jì)算機(jī)，還*了一個(gè)由500 名工程師組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)其單芯片電腦產(chǎn)品，希望將目前電腦主板上的32 顆芯片全部集成到單一的芯片中。 而在AMD 四核皓龍?zhí)幚砥髦?，四個(gè)獨(dú)立的CPU 核集成到單一硅片上，每個(gè)核具有單獨(dú)的64KB 一級(jí)數(shù)據(jù)緩存、64KB 一級(jí)指令緩存和512KB 的二級(jí)緩存，四個(gè)核心共享2MB（或者更大）的三級(jí)緩存。這樣每個(gè)CPU 核都能夠充分發(fā)揮各自的效能，從而大幅度提升整個(gè)處理器的性能。

單芯片計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，是一個(gè)基于某一種型號(hào)CPU 及其外圍I/O 接口的SoC 設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，選擇哪種型號(hào)的CPU 就成了設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。綜合設(shè)計(jì)難度，工程進(jìn)度的因素，同時(shí)考慮所選CPU 要有一定的代表性，因此最終選擇標(biāo)準(zhǔn)Intel 8086 CPU。基于8086 的單芯片計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

3 單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

8086 CPU 芯片有兩種工作模式，最小模式與最大模式。所謂最小模式，是指系統(tǒng)中只有一個(gè)8086 微處理器，在這種情況下，所有的總線控制信號(hào)，都直接由8086 CPU 產(chǎn)生，系統(tǒng)的總線控制邏輯電路被減到最少，該模式適用于規(guī)模較小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)采用8086 的最小工作模式進(jìn)行單芯片計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。所謂單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即除了包含CPU、ROM、RAM、總線、地址鎖存器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、外設(shè)地址譯碼電路以外，集成一個(gè)或一個(gè)以上的外圍I/O 接口，從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2 所示。

本論文所設(shè)計(jì)的8086 單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成了遵從AMBA 協(xié)議的總線、8255 通用并行接口，以及SDRAM 控制器。在這里，以8255 通用并行接口為例，介紹包含8255 應(yīng)用電路的單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。8255 作為外圍I/O 設(shè)備通過(guò)AHB 總線與8086CPU 進(jìn)行通信。

單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的RTL 級(jí)設(shè)計(jì)是一個(gè)SoC 的設(shè)計(jì)過(guò)程。包括CPU 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、總線的選擇和接口設(shè)計(jì)，以及存儲(chǔ)器單元的接口設(shè)計(jì)。

3.1 CPU 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CPU 子系統(tǒng)包括8086 CPU、數(shù)據(jù)收發(fā)控制器、地址鎖存器和存儲(chǔ)器譯碼電路等。

CPU 與存儲(chǔ)器（或I/O 端口）進(jìn)行交換時(shí)，CPU 首先要送出地址信號(hào)，然后再發(fā)出控制信號(hào)及傳送數(shù)據(jù)。因此需要加入地址鎖存器，先鎖存地址，使在讀寫(xiě)總線周期內(nèi)地址穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)收發(fā)控制器相當(dāng)于一個(gè)總線開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制CPU 的數(shù)據(jù)總線選擇從存儲(chǔ)單元或I/O端口發(fā)送或接受數(shù)據(jù)，匹配通信時(shí)序。

存儲(chǔ)器譯碼電路與74LS138 原理一樣，利用地址線生成ROM 和RAM 單元的片選信號(hào)。CPU 上電復(fù)位后地址為FFFF0H，首先從ROM 里讀出程序，該程序是無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，能夠使CPU 跳轉(zhuǎn)到RAM 的地址。CPU 再?gòu)腟DRAM 里讀出程序。

3.2 總線的選擇和設(shè)計(jì)

總線的集成對(duì)縮小芯片的面積以及減少總線的扇出都有非常積極的意義。標(biāo)準(zhǔn)的8086CPU，一般采用的是傳統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)，就是地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，基于這個(gè)總線架構(gòu)，還可以擴(kuò)展8255、顯示器、鍵盤/鼠標(biāo)、網(wǎng)卡之類的IP。

3.2.1 總線協(xié)議的選擇

傳統(tǒng)的8086 系列CPU 系統(tǒng)總線有ISA 總線、EISA 總線等。ISA 總線是16 位的系統(tǒng)總線，其工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為16MB/s。EISA 是一種在ISA 總線基礎(chǔ)上擴(kuò)充的數(shù)據(jù)寬度為32 位的開(kāi)放總線標(biāo)準(zhǔn)。最大傳輸速率可以達(dá)到33MB/s。但是由于I/O 速度比較低，這兩種總線技術(shù)已經(jīng)逐漸被淘汰。

AMBA 擁有眾多第三方支持，在基于ARM 處理器內(nèi)核的SoC 設(shè)計(jì)中，已經(jīng)成為廣泛支持的現(xiàn)有互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)之一。2.0 版AMBA 標(biāo)準(zhǔn)定義了三組總線：AHB（AMBA 高性能總線）、ASB（AMBA 系統(tǒng)總線）、和APB（AMBA 外設(shè)總線）。AHB 的總線架構(gòu)的相互連接采用了傳統(tǒng)的帶有主模塊和從模塊的共享總線模式，接口與互連功能分離，這對(duì)芯片上模塊之間的互連具有重要意義。因此，本論文所選擇的總線遵從AHB 總線傳輸?shù)幕疽?guī)范，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)8086CPU 的特點(diǎn)增加和修正了某些總線的接口。整個(gè)設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容：AHB 和8086 傳輸時(shí)序的匹配；基于8086CPU 的總線接口的擴(kuò)展設(shè)計(jì)?？偩€結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

3.2.2 傳輸時(shí)序的匹配

因?yàn)锳HB 總線和CPU 的傳輸協(xié)議不同，所以需要匹配兩個(gè)接口的時(shí)序，以保證CPU與其他外圍IP 可以通過(guò)總線正常通信。相關(guān)接口控制信號(hào)如表1 所示。

接口模塊首先根據(jù)MIO 信號(hào)判斷訪問(wèn)的是存儲(chǔ)器還是I/O 設(shè)備，如果是I/O 設(shè)備，當(dāng)采樣到READY 信號(hào)為高電平時(shí)，獲取AHB 的總線控制權(quán)，與外圍I/O 設(shè)備進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)如圖4 所示。

T1：根據(jù)MIO 信號(hào)判斷當(dāng)前CPU 是否需要訪問(wèn)外圍I/O。如果8086 處理器核訪問(wèn)的是存儲(chǔ)器單元而不是AHB 總線上的設(shè)備（即MIO 為1），狀態(tài)機(jī)則保持T1 狀態(tài)，并且不向AHB 總線發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)（即HBUSREQ 信號(hào)置為0）。MIO 為低電平則跳轉(zhuǎn)到T2。

T2：狀態(tài)機(jī)進(jìn)入T2 狀態(tài)后，向AHB 總線發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)（即HBUSREQ 信號(hào)置為1），向AHB 總線仲裁器請(qǐng)求訪問(wèn)總線。同時(shí)檢測(cè)READY 信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到READY 信號(hào)為高電平，即AHB 總線仲裁器把總線訪問(wèn)權(quán)限交給8086 處理器核，狀態(tài)機(jī)在下個(gè)時(shí)鐘上升沿進(jìn)入T3 狀態(tài)。反之，如果READY 一直為低電平，表示目前8086 CPU 要訪問(wèn)的AHB 總線上的從設(shè)備沒(méi)有準(zhǔn)備就緒，要求8086 處理器核插入等待狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)一直保持T2 狀態(tài)不變。

T3：CPU 通過(guò)AHB 總線與外圍IP 進(jìn)行通信，直至通信結(jié)束，返回到T1 狀態(tài)。

8086 處理器核的讀寫(xiě)信號(hào)受READY 信號(hào)控制，當(dāng)READY 信號(hào)為高電平時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，否則讀寫(xiě)信號(hào)保持。READY 信號(hào)由AHB 總線上從設(shè)備傳輸完成信號(hào)HREADYIn、AHB 總線允許信號(hào)HGRANT 以及從設(shè)備應(yīng)答信號(hào)HRESP 三者共同決定。而總線上的讀寫(xiě)控制信號(hào)HWRITE 由組合邏輯產(chǎn)生。其產(chǎn)生過(guò)程偽碼如表2 所示。

3.2.3 總線接口擴(kuò)展

8086CPU 除了數(shù)據(jù)、地址總線以及讀寫(xiě)和READY 等主要控制信號(hào)外，還有中斷請(qǐng)求和應(yīng)答以及外接DMA 設(shè)備的相關(guān)端口信號(hào)。而這些信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)AHB 總線所不具備的，因此還需要擴(kuò)展總線接口以匹配8086 CPU。總線接口的擴(kuò)展設(shè)計(jì)主要包括兩部分：中斷處理和DMA 數(shù)據(jù)通道。8086 CPU 關(guān)于中斷和DMA 的端口信號(hào)如表4 所示。

系統(tǒng)總線在接收到外設(shè)的中斷請(qǐng)求之后，會(huì)向CPU 提出中斷申請(qǐng)，一旦接收到中斷響應(yīng)，要向外設(shè)傳送中斷響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)修改譯碼單元，選通該外設(shè)，保證在第二個(gè)中斷響應(yīng)期間能將中斷類型號(hào)通過(guò)總線傳送給CPU，使得CPU 能成功跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序。

DMA 控制器在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要掌握AHB 總線的控制權(quán)，向片上存儲(chǔ)器或者總線上其他外設(shè)發(fā)出地址和控制信號(hào)，即相當(dāng)于AMBA 的主設(shè)備；另一方面，在DMA 控制器啟動(dòng)工作之前，CPU 需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理操作，以使其按照特定的配置參數(shù)進(jìn)行工作，在這個(gè)初始化階段，CPU 是AHB 總線上的主設(shè)備，DMA 控制器屬于從設(shè)備。基于DMA控制器的這種兩面性，在總線設(shè)計(jì)中配備了專門的DMA 通道與其相匹配：CPU 正常工作時(shí)，

DMA 扮演從設(shè)備的角色，接受CPU 對(duì)其的初始化；利用HLDA 作仲裁信號(hào)，當(dāng)CPU 響應(yīng)外設(shè)DMA 請(qǐng)求時(shí)（即HLDA 為高電平），讓出總線控制權(quán)給外設(shè)，利用DMA 數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸?shù)膮f(xié)議同樣遵從AMBA 協(xié)議。總線的時(shí)序控制模塊狀態(tài)如圖5 所示。

3.3 存儲(chǔ)單元的接口設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包括一個(gè)RAM 和一個(gè)ROM，8086CPU 支持20 位地址總線，具有1M 字節(jié)存儲(chǔ)空間，分為RAM 區(qū)和ROM 區(qū)。本文利用開(kāi)發(fā)板的片上ROM 資源配置成16k*16 的格式作為存儲(chǔ)器中的ROM 單元，采用DE2 開(kāi)發(fā)板上的8M 的SDRAM 配置成256K*16 位總線格式代替存儲(chǔ)器中的RAM 單元。

在各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中，SDRAM 的價(jià)格低，體積小，速度快，容量大，是比較理想的器件。但SDRAM 的控制邏輯比較復(fù)雜，對(duì)時(shí)序要求也十分嚴(yán)格，這就要求有一個(gè)專門的控制器：控制SDRAM 的初始化，刷新和預(yù)沖以及基本的讀寫(xiě)操作。同時(shí)，需要匹配SDRAM控制器和8086 CPU 的讀寫(xiě)時(shí)序。該接口具體實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)如圖6 所示。

T1：當(dāng)RDY 為高電平時(shí)，首先確定是進(jìn)行讀還是寫(xiě)操作，這時(shí)DONE 為0：讀：設(shè)置WR=0，RD=1； 寫(xiě)：設(shè)置WR=1，RD=0。

T2：當(dāng)DONE 信號(hào)為高電平，表示可以進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，跳轉(zhuǎn)到T3。

T3：CPU 通過(guò)SDRAM 控制器對(duì)SDRAM 進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

T4：當(dāng)?shù)妥止?jié)有效信號(hào)bwl_n 為高電平時(shí)，執(zhí)行低字節(jié)傳輸。

T5：當(dāng)高字節(jié)有效信號(hào)bwh_n 為高電平時(shí)，執(zhí)行高字節(jié)傳輸。

T6：CPU 完成讀寫(xiě)操作，相關(guān)控制信號(hào)清零。

其中，DONE 信號(hào)用于指示是否讀寫(xiě)完成，只有DONE 為高電平時(shí)表示讀寫(xiě)完成，才能進(jìn)行下次讀寫(xiě)操作。RDY 信號(hào)表示SDRAM 是否做好準(zhǔn)備接受CPU 的訪問(wèn),由SDRAM的寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)（IN_REQ =1）和讀有效信號(hào)（OUT_VALID =1 ）共同控制，其產(chǎn)生過(guò)程偽碼如表5 所示。

根據(jù)單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的組成結(jié)構(gòu)，調(diào)用已經(jīng)編寫(xiě)完成的8086 IP 軟核、8255 IP軟核、SDRAM 控制器、SDRAM 模型IS42S16400、AHB 總線 IP 軟核以及譯碼器IP 軟核。

連接相應(yīng)的輸入輸出端口，同時(shí)對(duì)8086 相關(guān)的輸入端口進(jìn)行賦值，將未使用的輸出端口懸空，完成單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的RTL 級(jí)設(shè)計(jì)。

4 單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的仿真與驗(yàn)證

單芯片計(jì)算機(jī)的RTL 級(jí)設(shè)計(jì)只是全部設(shè)計(jì)流程的一部分，為保證最終設(shè)計(jì)的成功，必須對(duì)其進(jìn)行全面的軟件仿真與硬件驗(yàn)證，包括搭建測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)測(cè)試方案以及分析仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)FPGA 驗(yàn)證。

4.1 測(cè)試方案的設(shè)計(jì)

在包含8255 應(yīng)用電路的單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上，要求實(shí)現(xiàn)八個(gè)開(kāi)關(guān)量控制八個(gè)LED 燈亮滅的功能。將八個(gè)開(kāi)關(guān)量連接8255 的PA0～PA7；將八個(gè)LED 燈驅(qū)動(dòng)電路連接8255 的PC0～PC7。在8086 CPU 的控制下，通過(guò)總線讀取連接在8255 PA 口的八個(gè)開(kāi)關(guān)量，將開(kāi)關(guān)值送往SDRAM 存儲(chǔ)，再?gòu)腟DRAM 讀取開(kāi)關(guān)量發(fā)送到8255 PC 口，使其驅(qū)動(dòng)八個(gè)LED 燈的亮或滅。

4.2 仿真結(jié)果分析

單芯片計(jì)算機(jī)最小集的RTL 級(jí)仿真波形，如圖7 所示。在8086 CPU 的控制下，8255接口讀取連接在8255 PA 口的八個(gè)開(kāi)關(guān)量11000010 以后，將其發(fā)送到8255 的PC 口，驅(qū)動(dòng)輸出邏輯值11000010。

使用Quartus II 軟件成功編譯設(shè)計(jì)，將布局布線生成的結(jié)果下載到FPGA 中，得到與設(shè)計(jì)等效的實(shí)際電路，對(duì)實(shí)際的電路用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。將FPGA的驗(yàn)證結(jié)果經(jīng)邏輯分析儀讀取顯示，如圖8 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文在基于集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)的指導(dǎo)下，探討了一種基于8086 CPU 核的單芯片計(jì)算機(jī)平臺(tái)的架構(gòu)，研究了其與AMBA 總線、SDRAM、8255 等外圍IP 的集成。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于8086 IP 軟核的單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了FPGA 功能演示。在后續(xù)的工作中，將考慮進(jìn)一步擴(kuò)展CPU 外圍接口IP 軟核；集成DMA 控制器，實(shí)現(xiàn)VGA 顯示功能；將DOS 操作系統(tǒng)加入8086 單芯片計(jì)算機(jī)平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)在操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件。