基于FPGA的RISC微處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

20世紀(jì)80年代初興起的RISC技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)發(fā)展的主流，RISC微處理器的一些基本理論則是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)常識(shí)，但具體實(shí)現(xiàn)仍有難度。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation，簡(jiǎn)稱(chēng)EDA)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是完成專(zhuān)用集成電路(ASIC)的設(shè)計(jì)，而現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)是實(shí)現(xiàn)這一途徑的主流器件?，F(xiàn)場(chǎng)可編程通用門(mén)陣列(Field Program mableGateArray，簡(jiǎn)稱(chēng)FPGA)的內(nèi)部具有豐富的可編程資源。FPGA外部連線(xiàn)很少、電路簡(jiǎn)單、便于控制。FPGA目前已達(dá)千萬(wàn)門(mén)標(biāo)記(10million-gatemark)，速度可達(dá)200～400MHz。本文介紹了一種基于FPGA技術(shù)用VHDL(VHSICHardw are Description Language)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的8位RISC微處理器，并給出了仿真綜合結(jié)果。

微處理器功能、組成及指令集

本文設(shè)計(jì)的RISC微處理器遵循了RISC機(jī)器的一般原則：指令條數(shù)少而高效、指令長(zhǎng)度固定、尋址方式不超過(guò)兩種、大量采用寄存器、為提高指令執(zhí)行速度、指令的解釋采用硬聯(lián)線(xiàn)控制等等。

RISC微處理器的功能和組成
微處理器是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，它具有如下基本功能：指令控制、操作控制、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)加工。本文設(shè)計(jì)的微處理器主要由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，還包括程序計(jì)數(shù)器、譯碼器等一些其他的必要邏輯部件?？刂破魇前l(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。相對(duì)于控制器而言，運(yùn)算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，所以它是執(zhí)行部件。存儲(chǔ)器是記憶設(shè)備，存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度是8位，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。

微處理器的指令集
微處理器的指令長(zhǎng)度為16位定長(zhǎng)，每條指令占兩個(gè)存儲(chǔ)單元，尋址方式僅有立即尋址、直接尋址兩種。該RISC微處理器選取了使用頻度較高的8種指令LDA、STO、JMP、ADD、AND、XOR、SKZ、HLT等。指令操作碼占用指令字的高4位，預(yù)留了空間，便于以后指令集的擴(kuò)展。指令周期是由8個(gè)時(shí)鐘組成，每個(gè)時(shí)鐘都要完成固定的操作。部分典型指令的操作流程圖如圖1所示。

圖1　部分指令操作流程

關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)
RISC微處理器是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路，但其基本部件的邏輯并不復(fù)雜，可以把它分為時(shí)鐘產(chǎn)生器、指令寄存器、累加器、算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)控制器、狀態(tài)控制器、程序計(jì)數(shù)器、地址多路器等單元來(lái)考慮。在硬件驗(yàn)證時(shí)還需要建立一些如ROM/RAM和地址譯碼器等必要的外圍器件。以下是幾個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)。

時(shí)鐘產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)

圖2　時(shí)鐘產(chǎn)生器電路的設(shè)計(jì)

時(shí)鐘產(chǎn)生器Pulse產(chǎn)生的電路如圖2所示，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，它用時(shí)序信號(hào)體現(xiàn)，時(shí)鐘產(chǎn)生器正是產(chǎn)生這些時(shí)序信號(hào)的器件。圖2中時(shí)鐘產(chǎn)生器利用外來(lái)時(shí)鐘信號(hào)clk產(chǎn)生一系列時(shí)鐘信號(hào)clk1，fetch，aluclk等，并送往微處理器的其他部件。rst控制著微處理器的復(fù)位和啟動(dòng)操作，當(dāng)rst一進(jìn)入高電平，微處理器就結(jié)束現(xiàn)行操作，并且只要rst停留在高電平狀態(tài)，微處理器就維持復(fù)位狀態(tài)。rst回到低電平后在接著到來(lái)的fetch上升沿啟動(dòng)微處理器開(kāi)始工作。

由于時(shí)鐘產(chǎn)生器對(duì)微處理器各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制，所以其性能好壞從根本上決定了整個(gè)微處理器的運(yùn)行質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用的同步狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，使得clk1，fetch，alu_clk在跳變時(shí)間同步性能上有顯著提升，為整個(gè)系統(tǒng)性能的提高打下良好的基礎(chǔ)。

狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)
狀態(tài)控制器的電路圖如圖3所示。從實(shí)現(xiàn)的途徑看，RISC微處理器與一般的微處理器的不同之處在于，它的時(shí)序控制信號(hào)的形成部件是用硬布線(xiàn)邏輯實(shí)現(xiàn)而不是采用微程序控制。由于器件本身設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且對(duì)各個(gè)控制信號(hào)的時(shí)序有嚴(yán)格要求，所以其VHDL程序用有限狀態(tài)機(jī)FSM來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3　狀態(tài)控制器電路

結(jié)構(gòu)體程序如下：
　 architecturertlofstatctlis
　 typemystateis(st0，st1，st2，st3，st4，st5，st6，st7)；
　 signalcurstate：mystate；
　 begin
　 process(clk1，ena)
　 begin
　 iffallingedge(clk1)　then
　 if(ena=’0’)then
　 　　curstate=st0；　incpc=’0’；　
　 load_acc=’0’；　loadpc=’0’；　
　 rd=’0’；　wr=’0’；　loadir=’0’；　
　datactlena=’0’；　halt=’0’；
　 　else
　　　 case　curstate　is
　　　 　when　st0　=>......
　　 　　when　st1　=>......
　　 　　when　st2　=>......
　　 　　when　st3　=>cur_state=st4；
　　　　 if(opcode=hlt)then......
　　　　 　　　　　　else......
　　　　 　whenst4=>curstate=st5；
　　　　 if(opcode=jmp)then......
　　　 　elsif(opcode=addoropcode=ann
oropcode=xoooropcode=lda)then
　　 　　elsif(opcode=sto)then...else...
　 　　　when　st5　=>curstate=st6；
　 　　　if(opcode=addoropcode=annor
　 opcode=xoooropcode=lda)　
　then......
　 　　　elsif(opcode=skzandzero=’1’)
　 then......
　 　　　elsif(opcode=jmp)　then......
　 　　　elsif(opcode=sto)　then......
　 　　　else......
　 　　　when　st6　=>curstate=st7；
　 　　　if(opcode=sto)then......
　 　　elsif(opcode=addoropcode=ann
　oropcode=xoooropcode=lda)　
　then......
　　　　else......
　　　when　st7　=>curstate=st0；
　　　if(opcode=skzandzero=’1’)then......
　　　　else......
　　　when　others=>......
　　 　　endcase；
　　 　　endif；
　 　endif；
　 　endprocess；
　 endrtl；

算術(shù)邏輯單元ALU的設(shè)計(jì)
ALU是絕大多數(shù)指令必須經(jīng)過(guò)的單元，所有的運(yùn)算都在算術(shù)邏輯單元ALU進(jìn)行。ALU接受指令寄存器IR送來(lái)的4位指令操作碼，根據(jù)不同的指令，ALU在信號(hào)alu_clk的正跳變沿觸發(fā)下完成各種算術(shù)邏輯運(yùn)算。微處理器各部件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

軟件綜合與仿真和硬件實(shí)現(xiàn)

微處理器的軟件綜合與仿真
該微處理器設(shè)計(jì)共有11個(gè)基本模塊，除前文分析的3個(gè)模塊外，還有指令寄存器IR、累加器ACC、程序計(jì)數(shù)器PC、簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器ROM/RAM、地址多路器ADDR等模塊。所有的模塊采用Quartus4.2單獨(dú)綜合，并調(diào)試通過(guò)，且都生成有單獨(dú)的*.bsf文件，最后創(chuàng)建一個(gè)頂層文件top.bdf，把所有基本模塊的bsf文件連接成如圖4的形式。做完頂層設(shè)計(jì)后，采用Quartus4.2進(jìn)行綜合與仿真。系統(tǒng)仿真的部分結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出，存放在存儲(chǔ)器不同地址中的2個(gè)操作數(shù)3CH(00111100)和18H(00011000)相異或時(shí)，結(jié)果24H(00100100)在信號(hào)wr的上升沿觸發(fā)下存入存儲(chǔ)器中。我們可清楚地看到每條指令都是在一個(gè)指令周期中完成。數(shù)據(jù)總線(xiàn)data上記錄著指令的運(yùn)行情況，同時(shí)也可看到空閑時(shí)其呈高阻狀態(tài)。

圖4　微處理器各部件的結(jié)構(gòu)

圖5　仿真波形

主要的程序如下：
地址　機(jī)器代碼　匯編語(yǔ)言源程序
　 00　11000000　JMP　L1　；L1->PC
　 01　00000100
　 04　10100000　LDA　R2??；(0E)->R2
　05　00001110
　06　10000000　XORR1，R2；(R1)xor(R2)- >(R1)
　07　00001111
　 08　11000001　STO　　??；(R1)->(0F)
　 0A　00000000　HLT　　??；stop
　 0B　00000000
　 0E　00111100
　0F　00011000

微處理器的硬件實(shí)現(xiàn)
基于FPGA的RISC微處理器的最終硬件驗(yàn)證在杭州康芯公司生產(chǎn)的GW48EDA系統(tǒng)上進(jìn)行。前面的仿真結(jié)果確認(rèn)無(wú)誤后，選用GW48EDA系統(tǒng)的電路模式No.5，查閱此系統(tǒng)的引腳對(duì)照表鎖定各引腳，之后需重新編譯一次，以便把引腳鎖定信息編譯進(jìn)編程下載文件。最后把編譯好的top.sof文件對(duì)目標(biāo)器件FPGA下載，得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的芯片。本設(shè)計(jì)的載體選用Altera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C6Q240C6，硬件驗(yàn)證結(jié)果表明，該RISC微處理器時(shí)鐘頻率為23.02MHz，其功能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

本文基于FPGA的微處理器具備了RISC微處理器的基本功能，而且其容易優(yōu)化升級(jí)。該微處理器不僅可作為一個(gè)模塊用于片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且也充分展示了使用FPGA和VHDL進(jìn)行EDA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，具有實(shí)用價(jià)值。