基于8086 CPU的單芯片計算機系統(tǒng)的設(shè)計
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系統(tǒng)總線在接收到外設(shè)的中斷請求之后，會向CPU 提出中斷申請，一旦接收到中斷響應(yīng)，要向外設(shè)傳送中斷響應(yīng)信號，同時修改譯碼單元，選通該外設(shè)，保證在第二個中斷響應(yīng)期間能將中斷類型號通過總線傳送給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，需要掌握AHB 總線的控制權(quán)，向片上存儲器或者總線上其他外設(shè)發(fā)出地址和控制信號，即相當(dāng)于AMBA 的主設(shè)備；另一方面，在DMA 控制器啟動工作之前，CPU 需要對其進行預(yù)處理操作，以使其按照特定的配置參數(shù)進行工作，在這個初始化階段，CPU 是AHB 總線上的主設(shè)備，DMA 控制器屬于從設(shè)備?；贒MA控制器的這種兩面性，在總線設(shè)計中配備了專門的DMA 通道與其相匹配：CPU 正常工作時，
DMA 扮演從設(shè)備的角色，接受CPU 對其的初始化；利用HLDA 作仲裁信號，當(dāng)CPU 響應(yīng)外設(shè)DMA 請求時（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。總線的時序控制模塊狀態(tài)如圖5 所示。
3.3 存儲單元的接口設(shè)計
存儲器子系統(tǒng)包括一個RAM 和一個ROM，8086CPU 支持20 位地址總線，具有1M 字節(jié)存儲空間，分為RAM 區(qū)和ROM 區(qū)。本文利用開發(fā)板的片上ROM 資源配置成16k*16 的格式作為存儲器中的ROM 單元，采用DE2 開發(fā)板上的8M 的SDRAM 配置成256K*16 位總線格式代替存儲器中的RAM 單元。
在各種隨機存儲器件中，SDRAM 的價格低，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，對時序要求也十分嚴格，這就要求有一個專門的控制器：控制SDRAM 的初始化，刷新和預(yù)沖以及基本的讀寫操作。同時，需要匹配SDRAM控制器和8086 CPU 的讀寫時序。該接口具體實現(xiàn)的狀態(tài)機如圖6 所示。
T1：當(dāng)RDY 為高電平時，首先確定是進行讀還是寫操作，這時DONE 為0：讀：設(shè)置WR=0，RD=1； 寫：設(shè)置WR=1，RD=0。
T2：當(dāng)DONE 信號為高電平，表示可以進行讀/寫操作，跳轉(zhuǎn)到T3。
T3：CPU 通過SDRAM 控制器對SDRAM 進行讀寫操作。
T4：當(dāng)?shù)妥止?jié)有效信號bwl_n 為高電平時，執(zhí)行低字節(jié)傳輸。
T5：當(dāng)高字節(jié)有效信號bwh_n 為高電平時，執(zhí)行高字節(jié)傳輸。
T6：CPU 完成讀寫操作，相關(guān)控制信號清零。
其中，DONE 信號用于指示是否讀寫完成，只有DONE 為高電平時表示讀寫完成，才能進行下次讀寫操作。RDY 信號表示SDRAM 是否做好準備接受CPU 的訪問,由SDRAM的寫請求信號（IN_REQ =1）和讀有效信號（OUT_VALID =1 ）共同控制，其產(chǎn)生過程偽碼如表5 所示。
根據(jù)單芯片計算機系統(tǒng)級設(shè)計的組成結(jié)構(gòu)，調(diào)用已經(jīng)編寫完成的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，同時對8086 相關(guān)的輸入端口進行賦值，將未使用的輸出端口懸空，完成單芯片計算機系統(tǒng)的RTL 級設(shè)計。
4 單芯片計算機系統(tǒng)的仿真與驗證
單芯片計算機的RTL 級設(shè)計只是全部設(shè)計流程的一部分，為保證最終設(shè)計的成功，必須對其進行全面的軟件仿真與硬件驗證，包括搭建測試平臺，設(shè)計測試方案以及分析仿真結(jié)果，實現(xiàn)FPGA 驗證。
4.1 測試方案的設(shè)計
在包含8255 應(yīng)用電路的單芯片計算機系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上，要求實現(xiàn)八個開關(guān)量控制八個LED燈亮滅的功能。將八個開關(guān)量連接8255 的PA0～PA7；將八個LED 燈驅(qū)動電路連接8255 的PC0～PC7。在8086 CPU 的控制下，通過總線讀取連接在8255 PA 口的八個開關(guān)量，將開關(guān)值送往SDRAM 存儲，再從SDRAM 讀取開關(guān)量發(fā)送到8255 PC 口，使其驅(qū)動八個LED 燈的亮或滅。
4.2 仿真結(jié)果分析
單芯片計算機最小集的RTL 級仿真波形，如圖7 所示。在8086 CPU 的控制下，8255接口讀取連接在8255 PA 口的八個開關(guān)量11000010 以后，將其發(fā)送到8255 的PC 口，驅(qū)動輸出邏輯值11000010。
使用QuartusII 軟件成功編譯設(shè)計，將布局布線生成的結(jié)果下載到FPGA 中，得到與設(shè)計等效的實際電路，對實際的電路用測試系統(tǒng)進行測試，從而驗證設(shè)計的正確性。將FPGA的驗證結(jié)果經(jīng)邏輯分析儀讀取顯示，如圖8 所示。
5 結(jié)束語
本論文在基于集成電路設(shè)計方法學(xué)的指導(dǎo)下，探討了一種基于8086 CPU 核的單芯片計算機平臺的架構(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)計基于8086 IP 軟核的單芯片計算機系統(tǒng)，并實現(xiàn)了FPGA 功能演示。在后續(xù)的工作中，將考慮進一步擴展CPU 外圍接口IP 軟核；集成DMA 控制器，實現(xiàn)VGA 顯示功能；將DOS 操作系統(tǒng)加入8086 單芯片計算機平臺，并開發(fā)在操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件。
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