基于FPGA的八位RISC CPU的設計

　　隨著數(shù)字通信和工業(yè)控制領域的高速發(fā)展，要求專用集成電路（ASIC）的功能越來越強，功耗越來越低，生產周期越來越短，這些都對芯片設計提出了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的芯片設計方法已經不能適應復雜的應用需求了。SoC（System on a Chip）以其高集成度，低功耗等優(yōu)點越來越受歡迎。開發(fā)人員不必從單個邏輯門開始去設計ASIC，而是應用己有IC芯片的功能模塊，稱為核（core），或知識產權（IP）宏單元進行快速設計，效率大為提高。CPU 的IP核是SoC技術的核心，開發(fā)出具有自主知識產權的CPU IP核對我國在電子技術方面跟上世界先進的步伐，提高信息產業(yè)在世界上的核心竟爭力有重大意義。

　　精簡指令集計算機RISC（Reduced Instruction Set Computer）是針對復雜指令集計算機CISC（Complex Instruction Set Computer）提出的，具備如下特征1）一個有限的簡單的指令集； 2）強調寄存器的使用或CPU配備大量的能用的寄存器；3）強調對指令流水線的使用。

　　2  CPU IP核的組成

　　 盡管各種CPU的性能指標和結構細節(jié)不同，但所要完成的基本功能相同，從整體上可分為八個基本的部件：時鐘發(fā)生器、指令寄存器、累加器、RISC CPU算術邏輯運算單元、數(shù)據控制器、狀態(tài)控制器、程序控制器、程序計數(shù)器、地址多路器。狀態(tài)控制器負責控制每一個部件之間的相互操作關系，具體的結構和邏輯關系如圖1所示。

　　時鐘發(fā)生器利用外部時鐘信號，經過分頻生成一系列時鐘信號給CPU中的各個部件使用。為了保證分頻后信號的跳變性能，在設計中采用了同步狀態(tài)機的方法。

　　指令寄存器在觸發(fā)時鐘clk1的正跳變觸發(fā)下，將數(shù)據總線送來的指令存入寄存器中。數(shù)據總線分時復用傳遞數(shù)據和指令，由狀態(tài)控制器的load_ir信號負責判別。load_ir信號通過使能信號ena口線輸入到指令寄存器。復位后，指令寄存器被清為零。每條指令為兩個字節(jié)16位，高3位是操作碼，低13位是地址線。CPU的地址總線為是13位，位尋址空間為8K 字節(jié)。本設計的數(shù)據總線是8位，每條指令取兩次，每次由變量state控制。

　　累加器用于存放當前的運算結果，是雙目運算中的一個數(shù)據來源。復位后，累加器的值為零。當累加器通過使能信號ena 口線收到來自CPU狀態(tài)控制器load_acc 信號后，在clk1時鐘正跳沿時就接收來自數(shù)據總線的數(shù)據。

　　圖1  CPU結構圖                

　　算術邏輯運算單元根據輸入的不同的操作碼分別實現(xiàn)相應的加、與、異或、跳轉等基本運算。

　　數(shù)據控制器其作用是控制累加器的數(shù)據輸出，由于數(shù)據總線是各種操作傳送數(shù)據的公共通道，分時復用，有時傳輸指令，有時要傳送數(shù)據。其余時候，數(shù)據總線應呈高阻態(tài)，以允許其他部件使用。所以，任何部件向總線上輸出數(shù)據時，都需要一個控制信號的，而此控制信號的啟、停則由CPU狀態(tài)控制器輸出的各信號控制決定?？刂菩盘杁atactl_ena決定何時輸出累加器中的數(shù)據。

　　地址多路器用于輸出的地址是PC（程序計數(shù)器）地址還是數(shù)據/端口地址。每個指令周期的前4個時鐘周期用于從ROM中讀取指令，輸出的應是PC地址，后4個時鐘周期用于對RAM或端口的讀寫，該地址由指令給出，地址的選擇輸出信號由時鐘信號的8分頻信號fecth提供。

　　程序計數(shù)器用于提供指令地址，以便讀取指令，指令按地址順序存放在存儲器中，有兩種途徑可形成指令地址，一是順序執(zhí)行程序的情況，二是執(zhí)行JMP指令后，獲得新的指令地址。

　　狀態(tài)機控制器接受復位信號RST，當RST有效時，能通過信號ena使其為0 ，輸入到狀態(tài)機中以停止狀態(tài)機的工作。狀態(tài)機是CPU 的控制核心，用于產生一系列的控制信號，啟動或停止某些部件，CPU何時進行讀指令來讀寫I/O端口及RAM區(qū)等操作，都是由狀態(tài)機來控制的。狀態(tài)機的當前狀態(tài)，由變量state記錄，state的值就是當前這個指令周期中已經過的時鐘數(shù)。指令周期是由8 個時鐘組成，每個時鐘都要完成固定的操作。

　　3  系統(tǒng)時序

　　RISC CPU的復位和啟動操作是通過rst引腳的信號觸發(fā)執(zhí)行的，當rst信號一進入高電平，RISC CPU就會結束現(xiàn)行操作，并且只要rst停留在高電平狀態(tài)，CPU就維持在復位狀態(tài)，CPU各狀態(tài)寄存器都設為無效狀態(tài)。當信號rst回到低電平，接著到來的第一個fetch 上升沿將啟動RISC CPU開始工作，從ROM的000處的開始讀取指令并

　　讀指令時序，每個指令的前3個時鐘周期用于讀指令，4~6周期讀信號rd有效，第7 個周期讀信號無效，第8個周期地址總線輸出PC地址，為下一個指令作準備。

　　寫指令時序，每個指令的第3.5個時鐘周期建立寫地址，第四個周期輸出數(shù)據，第5個時鐘周期輸出寫信號，第6個時鐘結束，第7.5個時鐘周期輸出為PC地址，為下個指令做準備。

　　如圖2 所示，這是ModelSim SE6.0進行波形仿真的結果。

　　4  微處理器指令

　　數(shù)據處理指令：數(shù)據處理指令完成寄存器中數(shù)據的算術和邏輯操作，其他指令只是傳送數(shù)據和控制程序執(zhí)行的順序．因此，數(shù)據處理指令是唯一可以修改數(shù)據值的指令，數(shù)據處理指令一般需兩個源操作數(shù)，產生單個結果．所有的操作數(shù)都是8位寬，或者來自寄存器，或者來自指令中定義的立即數(shù)．每一個源操作數(shù)寄存器和結果寄存器都在指令中獨立的指定。

　　圖2  讀寫指令時序

　　數(shù)據傳送和控制轉移類指令：共有17條，不包括按布爾變量控制程序轉移的指令。其中有全存儲空間的長調用、長轉移和按2KB分塊的程序空間內的絕對調用和絕對轉移；全空間的長度相對

轉移及一頁范圍內的短相對轉移；還有條件轉移指令。這類指令用到的助記符有ACALL, AJMP, LCALL, LJMP, SJMP, M, JZ, JNZ, ONE,DJNZ?？刂妻D移類指令主要用來修改1x指針從而達到對程序流的控制，所用到的寄存器主要有sp, pc, ir等寄存器。

　　指令由操作碼和操作數(shù)組成，取指令電路的目的就是把指令碼和操作數(shù)分開。組成電路由如圖3所示。取指令電路由程序指針，程序指針解析模塊、ROM, IR(指令寄存器)，控制器狀態(tài)寄存器組成。取指令指令的過程如下:PC指針的值經過pc_mux模塊賦值，把ROM中的指令取出來，送到指令寄存器的數(shù)據輸入口。指令寄存器受狀態(tài)寄存器的控制，當取指令信號有效時，ROM中的指令碼被保存在指令寄存器中，然后經控制器譯碼，產生控制信號，對PC指針的增量加以控制取出下一條指令。

　　圖3 取指令電路

    5  匯編

　　匯編程序是為了調試軟核而開發(fā)的，手工編寫機器碼很容易出錯并且工作量很大。在調試過程中修改指令集時，匯編程序也要作相應的修改。所以要求編譯器的結構簡單性能可靠，在程序中必要的地方可以用堆疊代碼方法實現(xiàn)，不必考慮編程技巧和匯編器效率問題。匯編程序用于測試RISC CPU的基本指令集，如果CPU的各條指令執(zhí)行正確，停止在HLT指令處。如果程序在其它地址暫停運行，則有一個指令出錯。程序中，@符號后的十六進制表示存儲器的地址，每行的//后表示注釋。下面是一小段程序代碼，編譯好的匯編機器代碼裝入虛擬ROM，要參加運算的數(shù)據裝入虛擬RAM就可以開始進行仿真。

　　機器碼                地址             匯編助記符                    注釋

　　@00  //地址聲明

　　101_11000       //00           BEGIN: LDA DATA_2

　　0000_0001      

　　011_11000       //02           AND DATA_3

　　0000_0010

　　100_11000       //04            XOR DATA_2

　　0000_0001      　　001_00000       //06            SKZ

　　0000_0000      

　　000_00000       //08            HLT                           //AND does't work

　　6  調試

　　最基本的調試手段 是基于FPGA 廠商提供的開發(fā)和仿真環(huán)境，用硬件描述語言編寫TESTBENCH，構成一個最小運行環(huán)境。TESTBENCH產生對目標軟核的激勵，同時記錄軟核的輸出，和預期值進行比對，可以確定核的設計錯誤。這種方法的好處是實現(xiàn)容易，結果準確，但硬件描述語言編碼量較大。為了仿真結果的準確性，無論功能仿真還是時序仿真，仿真的步長都不能太小，結果導致整個系統(tǒng)仿真時間太長。本設計中先對RISC CPU的各個子模塊進行了分別綜合，檢查正確性，如果發(fā)現(xiàn)錯誤可以在較小的范圍內來檢查并驗證。子模塊綜合完畢后，把要綜合的RISC CPU的模塊與外圍器件以及測試模塊分離出來組成一個大模塊，綜合后的的RISC CPU模塊如圖4所示，這是Xilinx ISE7.1 所綜合生成的技術原理圖。

　　綜合的結果只是通用的門級網表，只是一些與、或、非門的邏輯關系，和芯片實際的配置情況還有差距。此時應該使用FPGA/CPLD廠商提供的實現(xiàn)與布局布線工具，根據所選芯片的型號，進行芯片內部功能單元的實際連接與映射。這種實現(xiàn)與布局布線工具一般要選用所選器件的生產商開發(fā)的工具，因為只有生產者最了解器件內部的結構，如在ISE的集成環(huán)境中完成實現(xiàn)與布局布線的工具是Flow Engine。

　　圖4  CPU技術原理圖

　　STA（Static Timing Analysis）靜態(tài)時序分析，完成FPGA設計時必須的一個步驟。在FPGA加約束、綜合、布局布線后，在ISE中可以運行Timing Analyzer生成詳細的時序報告，本設計中Minimum period: 12.032ns (Maximum Frequency: 83.112MHz)，Minimum input arrival time before clock: 6.479ns，Maximum output required time after clock: 9.767ns。然后，設計人員檢查時序報告，根據工具的提示找出不滿足Setup/Hold time的路徑，以及不符合約束的路徑，進行修改保證數(shù)據能被正確的采樣。在后仿真中將布局布線的時延反標到設計中去，使仿真既包含門延時，又包含線延時信息。這種后仿真是最準確的仿真，能真實地反映芯片的實際工作情況。

　　7   結 論

　　復雜的RISC CPU設計是一個從抽象到具體的過程，本文根據FPGA的結構特點，圍繞在FPGA上設計實現(xiàn)八位微處理器軟核設計方法進行探討，研究了片上系統(tǒng)的設計方法和設計復用技術，并給出了指令集和其調試方法，提出了一種基于FPGA的微處理器的IP的設計方法。本文作者創(chuàng)新點是：根據Spartan II 的內部結構，在編碼階段實現(xiàn)了地址和數(shù)據的優(yōu)化，實現(xiàn)階段對內部布局布線進行重新配置，設計實現(xiàn)的微處理器僅占用78個slices，1個Block RAM，在10萬門的芯片實現(xiàn)，占用6%的資源。

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