基于FPGA的八位RISC CPU的设计

　　1 引 言

　　随着数字通信和工业控制领域的高速发展，要求专用集成电路（ASIC）的功能越来越强，功耗越来越低，生产周期越来越短，这些都对芯片设计提出了巨大的挑战，传统的芯片设计方法已经不能适应复杂的应用需求了。SoC（System on a Chip）以其高集成度，低功耗等优点越来越受欢迎。开发人员不必从单个逻辑门开始去设计ASIC，而是应用己有IC芯片的功能模块，称为核（core），或知识产权（IP）宏单元进行快速设计，效率大为提高。CPU 的IP核是SoC技术的核心，开发出具有自主知识产权的CPU IP核对我国在电子技术方面跟上世界先进的步伐，提高信息产业在世界上的核心竟争力有重大意义。

　　精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）是针对复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）提出的，具备如下特征1）一个有限的简单的指令集； 2）强调寄存器的使用或CPU配备大量的能用的寄存器；3）强调对指令流水线的使用。

　　2 CPU IP核的组成

　　尽管各种CPU的性能指标和结构细节不同，但所要完成的基本功能相同，从整体上可分为八个基本的部件：时钟发生器、指令寄存器、累加器、RISC CPU算术逻辑运算单元、数据控制器、状态控制器、程序控制器、程序计数器、地址多路器。状态控制器负责控制每一个部件之间的相互操作关系，具体的结构和逻辑关系如图1所示。

　　时钟发生器利用外部时钟信号，经过分频生成一系列时钟信号给CPU中的各个部件使用。为了保证分频后信号的跳变性能，在设计中采用了同步状态机的方法。

　　指令寄存器在触发时钟clk1的正跳变触发下，将数据总线送来的指令存入寄存器中。数据总线分时复用传递数据和指令，由状态控制器的load_ir信号负责判别。load_ir信号通过使能信号ena口线输入到指令寄存器。复位后，指令寄存器被清为零。每条指令为两个字节16位，高3位是操作码，低13位是地址线。CPU的地址总线为是13位，位寻址空间为8K 字节。本设计的数据总线是8位，每条指令取两次，每次由变量state控制。

　　累加器用于存放当前的运算结果，是双目运算中的一个数据来源。复位后，累加器的值为零。当累加器通过使能信号ena 口线收到来自CPU状态控制器load_acc 信号后，在clk1时钟正跳沿时就接收来自数据总线的数据。

　　图1 CPU结构图

　　算术逻辑运算单元根据输入的不同的操作码分别实现相应的加、与、异或、跳转等基本运算。

　　数据控制器其作用是控制累加器的数据输出，由于数据总线是各种操作传送数据的公共通道，分时复用，有时传输指令，有时要传送数据。其余时候，数据总线应呈高阻态，以允许其他部件使用。所以，任何部件向总线上输出数据时，都需要一个控制信号的，而此控制信号的启、停则由CPU状态控制器输出的各信号控制决定。控制信号datactl_ena决定何时输出累加器中的数据。

　　地址多路器用于输出的地址是PC（程序计数器）地址还是数据/端口地址。每个指令周期的前4个时钟周期用于从ROM中读取指令，输出的应是PC地址，后4个时钟周期用于对RAM或端口的读写，该地址由指令给出，地址的选择输出信号由时钟信号的8分频信号fecth提供。

　　程序计数器用于提供指令地址，以便读取指令，指令按地址顺序存放在存储器中，有两种途径可形成指令地址，一是顺序执行程序的情况，二是执行JMP指令后，获得新的指令地址。

　　状态机控制器接受复位信号RST，当RST有效时，能通过信号ena使其为0 ，输入到状态机中以停止状态机的工作。状态机是CPU 的控制核心，用于产生一系列的控制信号，启动或停止某些部件，CPU何时进行读指令来读写I/O端口及RAM区等操作，都是由状态机来控制的。状态机的当前状态，由变量state记录，state的值就是当前这个指令周期中已经过的时钟数。指令周期是由8 个时钟组成，每个时钟都要完成固定的操作。

　　3 系统时序

　　RISC CPU的复位和启动操作是通过rst引脚的信号触发执行的，当rst信号一进入高电平，RISC CPU就会结束现行操作，并且只要rst停留在高电平状态，CPU就维持在复位状态，CPU各状态寄存器都设为无效状态。当信号rst回到低电平，接着到来的第一个fetch 上升沿将启动RISC CPU开始工作，从ROM的000处的开始读取指令并 执行相应的操作。

　　读指令时序，每个指令的前3个时钟周期用于读指令，4~6周期读信号rd有效，第7 个周期读信号无效，第8个周期地址总线输出PC地址，为下一个指令作准备。

　　写指令时序，每个指令的第3.5个时钟周期建立写地址，第四个周期输出数据，第5个时钟周期输出写信号，第6个时钟结束，第7.5个时钟周期输出为PC地址，为下个指令做准备。

　　如图2 所示，这是ModelSim SE6.0进行波形仿真的结果。

　　4 微处理器指令

　　数据处理指令：数据处理指令完成寄存器中数据的算术和逻辑操作，其他指令只是传送数据和控制程序执行的顺序．因此，数据处理指令是唯一可以修改数据值的指令，数据处理指令一般需两个源操作数，产生单个结果．所有的操作数都是8位宽，或者来自寄存器，或者来自指令中定义的立即数．每一个源操作数寄存器和结果寄存器都在指令中独立的指定。

　　图2 读写指令时序

　　数据传送和控制转移类指令：共有17条，不包括按布尔变量控制程序转移的指令。其中有全存储空间的长调用、长转移和按2KB分块的程序空间内的绝对调用和绝对转移；全空间的长度相对

转移及一页范围内的短相对转移；还有条件转移指令。这类指令用到的助记符有ACALL, AJMP, LCALL, LJMP, SJMP, M, JZ, JNZ, ONE,DJNZ。控制转移类指令主要用来修改1x指针从而达到对程序流的控制，所用到的寄存器主要有sp, pc, ir等寄存器。

　　指令由操作码和操作数组成，取指令电路的目的就是把指令码和操作数分开。组成电路由如图3所示。取指令电路由程序指针，程序指针解析模块、ROM, IR(指令寄存器)，控制器状态寄存器组成。取指令指令的过程如下:PC指针的值经过pc_mux模块赋值，把ROM中的指令取出来，送到指令寄存器的数据输入口。指令寄存器受状态寄存器的控制，当取指令信号有效时，ROM中的指令码被保存在指令寄存器中，然后经控制器译码，产生控制信号，对PC指针的增量加以控制取出下一条指令。

　　图3 取指令电路

　　5 汇编

　　汇编程序是为了调试软核而开发的，手工编写机器码很容易出错并且工作量很大。在调试过程中修改指令集时，汇编程序也要作相应的修改。所以要求编译器的结构简单性能可靠，在程序中必要的地方可以用堆叠代码方法实现，不必考虑编程技巧和汇编器效率问题。汇编程序用于测试RISC CPU的基本指令集，如果CPU的各条指令执行正确，停止在HLT指令处。如果程序在其它地址暂停运行，则有一个指令出错。程序中，@符号后的十六进制表示存储器的地址，每行的//后表示注释。下面是一小段程序代码，编译好的汇编机器代码装入虚拟ROM，要参加运算的数据装入虚拟RAM就可以开始进行仿真。

　　机器码 地址 汇编助记符 注释

　　@00 //地址声明

　　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 调试

　　最基本的调试手段

是基于FPGA 厂商提供的开发和仿真环境，用硬件描述语言编写TESTBENCH，构成一个最小运行环境。TESTBENCH产生对目标软核的激励，同时记录软核的输出，和预期值进行比对，可以确定核的设计错误。这种方法的好处是实现容易，结果准确，但硬件描述语言编码量较大。为了仿真结果的准确性，无论功能仿真还是时序仿真，仿真的步长都不能太小，结果导致整个系统仿真时间太长。本设计中先对RISC CPU的各个子模块进行了分别综合，检查正确性，如果发现错误可以在较小的范围内来检查并验证。子模块综合完毕后，把要综合的RISC CPU的模块与外围器件以及测试模块分离出来组成一个大模块，综合后的的RISC CPU模块如图4所示，这是Xilinx ISE7.1 所综合生成的技术原理图。

　　综合的结果只是通用的门级网表，只是一些与、或、非门的逻辑关系，和芯片实际的配置情况还有差距。此时应该使用FPGA/CPLD厂商提供的实现与布局布线工具，根据所选芯片的型号，进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。这种实现与布局布线工具一般要选用所选器件的生产商开发的工具，因为只有生产者最了解器件内部的结构，如在ISE的集成环境中完成实现与布局布线的工具是Flow Engine。

　　图4 CPU技术原理图

　　STA（Static Timing Analysis）静态时序分析，完成FPGA设计时必须的一个步骤。在FPGA加约束、综合、布局布线后，在ISE中可以运行Timing Analyzer生成详细的时序报告，本设计中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，设计人员检查时序报告，根据工具的提示找出不满足Setup/Hold time的路径，以及不符合约束的路径，进行修改保证数据能被正确的采样。在后仿真中将布局布线的时延反标到设计中去，使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。这种后仿真是最准确的仿真，能真实地反映芯片的实际工作情况。

　　7 结 论

　　复杂的RISC CPU设计是一个从抽象到具体的过程，本文根据FPGA的结构特点，围绕在FPGA上设计实现八位微处理器软核设计方法进行探讨，研究了片上系统的设计方法和设计复用技术，并给出了指令集和其调试方法，提出了一种基于FPGA的微处理器的IP的设计方法。本文作者创新点是：根据Spartan II 的内部结构，在编码阶段实现了地址和数据的优化，实现阶段对内部布局布线进行重新配置，设计实现的微处理器仅占用78个slices，1个Block RAM，在10万门的芯片实现，占用6%的资源。

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