基於可編程邏輯器件實現八位微處理器軟核的設計

基於可編程邏輯器件實現八位微處理器軟核的設計

張杰 發表於 2020-11-24 14:37:00

1、引言

SoC（SystemonaChip）以其高集成度，低功耗等優點越來越受歡迎。開發人員不必從單個邏輯門開始去設計ASIC，而是應用己有IC晶片的功能模塊，稱為核（core），或智慧財產權（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，開發出具有自主智慧財產權的CPUIP核對我國在電子技術方面跟上世界先進的步伐，提高信息產業在世界上的核心竟爭力有重大意義。

精簡指令集計算機RISC（ReducedInstructionSetComputer）是針對複雜指令集計算機CISC（ComplexInstructionSetComputer）提出的，具備如下特徵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、CPUIP核的組成

儘管各種CPU的性能指標和結構細節不同，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：時鐘發生器、指令寄存器、累加器、RISCCPU算術邏輯運算單元、數據控制器、狀態控制器、程序控制器、程序計數器、地址多路器。狀態控制器負責控制每一個部件之間的相互操作關係，具體的結構和邏輯關係如圖1所示。

時鐘發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。為了保證分頻後信號的跳變性能，在設計中採用了同步狀態機的方法。

指令寄存器在觸發時鐘clk1的正跳變觸發下，將數據總線送來的指令存入寄存器中。數據總線分時復用傳遞數據和指令，由狀態控制器的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。復位後，指令寄存器被清為零。每條指令為兩個字節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。本設計的數據總線是8位，每條指令取兩次，每次由變量state控制。

累加器用於存放當前的運算結果，是雙目運算中的一個數據來源。復位後，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狀態控制器load_acc信號後，在clk1時鐘正跳沿時就接收來自數據總線的數據。

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

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

地址多路器用於輸出的地址是PC（程序計數器）地址還是數據/埠地址。每個指令周期的前4個時鐘周期用於從ROM中讀取指令，輸出的應是PC地址，後4個時鐘周期用於對RAM或埠的讀寫，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。

程序計數器用於提供指令地址，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，一是順序執行程序的情況，二是執行JMP指令後，獲得新的指令地址。

狀態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，輸入到狀態機中以停止狀態機的工作。狀態機是CPU的控制核心，用於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埠及RAM區等操作，都是由狀態機來控制的。狀態機的當前狀態，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。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、系統時序

RISCCPU的復位和啟動操作是通過rst引腳的信號觸發執行的，當rst信號一進入高電平，RISCCPU就會結束現行操作，並且只要rst停留在高電平狀態，CPU就維持在復位狀態，CPU各狀態寄存器都設為無效狀態。當信號rst回到低電平，接著到來的第一個fetch上升沿將啟動RISCCPU開始工作，從ROM的000處的開始讀取指令並執行相應的操作。

指令時序，每個指令的前3個時鐘周期用於讀指令，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。

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。

圖2所示，這是ModelSimSE6.0進行波形仿真的結果。

4、微處理器指令

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

數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

轉移及一頁範圍內的短相對轉移；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。控制轉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組成，取指令電路的目的就是把指令碼和操作數分開。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據輸入口。指令寄存器受狀態寄存器的控制，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，然後經控制器解碼，產生控制信號，對PC指針的增量加以控制取出下一條指令。

5、彙編

彙編程序是為了調試軟核而開發的，手工編寫機器碼很容易出錯並且工作量很大。在調試過程中修改指令集時，彙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，不必考慮編程技巧和彙編器效率問題。彙編程序用於測試RISC CPU的基本指令集，如果CPU的各條指令執行正確，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，@符號後的十六進位表示存儲器的地址，每行的//後表示注釋。下面是一小段程序代碼，編譯好的彙編機器代碼裝入虛擬ROM，要參加運算的數據裝入虛擬RAM就可以開始進行仿真。

6、 調試

最基本的調試手段 是基於FPGA 廠商提供的開發和仿真環境，用硬體描述語言編寫TESTBENCH，構成一個最小運行環境。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容易，結果準確，但硬體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，如果發現錯誤可以在較小的範圍內來檢查並驗證。子模塊綜合完畢後，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，綜合後的的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、非門的邏輯關係，和晶片實際的配置情況還有差距。此時應該使用FPGA/CPLD廠商提供的實現與布局布線工具，根據所選晶片的型號，進行晶片內部功能單元的實際連接與映射。這種實現與布局布線工具一般要選用所選器件的生產商開發的工具，因為只有生產者最了解器件內部的結構，如在ISE的集成環境中完成實現與布局布線的工具是Flow Engine。

STA（Static Timing Analysis）靜態時序分析，完成FPGA設計時必須的一個步驟。在FPGA加約束、綜合、布局布線後，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。然後，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，進行修改保證數據能被正確的採樣。在後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。這種後仿真是最準確的仿真，能真實地反映晶片的實際工作情況。

7、結 論

複雜的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上設計實現八位微處理器軟核設計方法進行探討，研究了片上系統的設計方法和設計復用技術，並給出了指令集和其調試方法，提出了一種基於FPGA的微處理器的IP的設計方法。本文作者創新點是：根據Spartan II 的內部結構，在編碼階段實現了地址和數據的優化，實現階段對內部布局布線進行重新配置，設計實現的微處理器僅佔用78個slices，1個Block RAM，在10萬門的晶片實現，佔用6%的資源。

責任編輯：gt

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