【正文】 ：EXE 級，這一級根據功級輸入的數據完成算術邏輯的運算。該流水線CPU 由取指令 (IF)、指令譯碼和讀寄存器文件 (ID)、執(zhí)行或計算地址 (EXE)、存儲器訪問(MEM)、回寫 (WB)五個部分組成。這種非流水線結構的 CPU 實現起來相對簡單，但控制器執(zhí)行指令的速度慢，只有當上一條指令執(zhí)行完之后，才能開始下一條指令的執(zhí)行；并且功能部件利用率低，在某一時間內，只有其中的一個部件在工作，其他部件則是空閑著。 2) 分析指令：即指令譯碼。當 sec滿 60時（此時時間為 60s），使 min加 1，同時清除 sec。 按鍵輸入電路負責輸入單片機中一系列工作參數及功能設定，如進行走時設置，定時設置等。其中，通過 IP 軟核授權的方案能讓廠商加快產品上市時程，但同時會引起成本的上升，并且廠商要獲得這些IP 核不是件容易的事。布局布線后仿真的主要目的在于發(fā)現時序違規(guī) (Timing Violation)，即不滿足時序約柬條件或者器件固有時序規(guī)則 (建立時間、保持時間等 )的情況。綜合后仿真雖然比功能仿真精確一些，但是只能估計門延時，不能估計線延時，仿真結果與布線后的實際情況還有一定的差距，并不十分準確 [7]。目前進行大型工程設計時，最常用的方法是 HDL 設計輸入法，其中影響最為廣泛的 HDL 語言是 VHDL 和 Verilog HDL。FPGA 是在 CPLD 的基礎上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用 SRAM 工藝，也有一些專用器件采用 Flash 工藝或反熔絲 (AntiFuse)工藝等。但是，隨著計算機技術、大規(guī) 模集成電路技術的發(fā)展這種傳統(tǒng)的設計方法己大大落后于當今技術的發(fā)展。一是傳統(tǒng)設計方法，二是利用可編程邏輯器件的硬件電路設計方法。 RISC 的設計原則是使系統(tǒng)設計達到最高的有效速度 [4]。RISC 有一套優(yōu)化過的指令架構，它是根據著名的 80/20 法則所確立 [3]。 CPU 從最初發(fā)展至今已經有幾十年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長， CPU 可以分為：四位微處理器、八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器。這個 CPU 具有 16 位的地址總線和數據總線，并且采用了 5 級流水線來提高 CPU 的工作效率。基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 I 摘 要 隨著 EDA 技術的快速發(fā)展，基于 FPGA 的嵌入式微處器的應用越來越廣泛。因此，設計采用流水線技術設計。 CPU 作為集成電路的高端產品，隨著半導體工藝水平的發(fā)展，遵守摩爾定律發(fā)展規(guī)律 ，CPU 性能每過 18 個月就會翻一番。 所謂硬布線邏輯也就是用觸發(fā)器和邏輯門直接連線所構成的狀態(tài)機和組合邏輯，故產生控制序列的速度比用微程序控制方式快得多，因為這樣做省去了讀取微指令的時間。 RISC 處理器可以說既簡單又復雜：簡單之處在于，相比于復雜指令集 CISC( plex Instruction Set Computer，復雜指令系統(tǒng)計算機 )，這種處理器的指令和變量非常少，正如它的英文字母縮寫 RSIC 所代表的 “ 精簡指令集 ” 的含義一樣；說 RSIC 復雜，是因為它們容易實現更高的并行性，而這個特點只有與設計得很好的編譯器結合起來，才能顯現出其優(yōu)越性。集成電路的設計方法主要經歷了兩個時代。 傳統(tǒng)的硬件電路設計方法已經沿用幾十年，是目前廣大電子工程師所熟悉和掌握的一種方法。 基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 3 3) FPGA： FPGA 是 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現場可編程邏輯陣列。它雖然直觀、便于理解，但它的維護性較差，不利于模塊構造與重用。在仿真時，把綜合生成的標準延時文件反標注到綜合仿真模型中去，可估計門延時帶來的影響 [6]。一般來說，布線后仿真步驟必須進行，通過布局布線后仿真能檢查設計時序與 FPGA 實際運行情況是否一致，確保設計的可靠性和穩(wěn)定性。但針對的不同的應用層所選用的 CPU 會有很大的差異，因此在的嵌入式系統(tǒng)的設計過程中對效能、功耗與成本等變量進行應進行多方考慮。 工業(yè)生產節(jié)能時控器 系統(tǒng)的結構 單片機是整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的所有運行均由單片機完成，如生產精確時鐘及計時， LED 數碼管顯示器輸出掃描顯示，輸出驅動繼電器，驅動蜂鳴器，掃描按鍵輸入等。另外，還需建立幾個軟件計數器單元（如 deda,sec,min等），使 sec加 1，同時清除 deda。 因此它必須具有以下基本功能： 1) 取指令：當程序已在存儲器中時，首先根據程序入口地址取出一條程序，為此要發(fā)出指令地址及控制信號。 在串行執(zhí)行方式中，如果指令取指、譯碼、執(zhí)行、存儲器操作、寫回寄存器等 5 階段完成的時間相等，若每段時間都等于 t，則執(zhí)行 n 條指令的 時間為： T＝ 3 n t 。 基于提高指令執(zhí)行速度的目的，本文的設計采用流水線結構的 RISC CPU。第二級 ： ID 級，對指令進行譯碼，根據譯碼的結果訪問寄存器堆，取出相應的寄存器單元中的數據或 者對立即數進行擴展作為下一級運算單元的輸入。而指令集的先進與否，也關系到 CPU 的性能發(fā)揮，它也是 CPU 性能體現的一個重要標志。本設計采用的指令集主要有四種形式，即寄存器型 (R 型 )、寄存器立即數型 (RI 型 )、立即數型 (I 型 )、立即數移位型 (SI 型 )。在一條 R 型指令中，第一個 3 位寄存器指的的寫入數據的寄存器，后面兩個寄存器是指令中將要用到的兩個讀出數據的寄存器。 I 型指令格式由 4 位操作碼、一個 3 位寄存器值、一個 8 位的立即數和一個 1 位的功能碼組成。這幾種型數據通路組合起來就形成 CPU 的總的型數據通路。 ALU 執(zhí)行由指令的操作，然后將 ALU 輸出的結果寫回寄存器文件中。寄存器轉移通路中，一個寄存器與零比較，如果轉移類型的內容為零轉移并且寄存器的內容為零，則將第二個寄存器的內容裝入程序計數器。 VHDL的起源 VHDL 語言是一種用于電路設計的高級語言，它在 80 年代的后期出現。 VHDL 技術完備，具有豐富的仿真語句的庫函數。目前， VHDL 語言也已成為 FPGA/CPLD編程最常用有工具。不同的描述方式，只體現在描述語句上，而結構體的結構是完全一樣的。用戶自建的庫即為設計文件所在目錄，庫名與目錄名的對應關系可在編譯軟件中指定。配置被看作是設計的零件清單，它描述對每個實體用哪一種行為，它非常象一個描述設計每部分用哪一種零件的清單。 Quartus II軟件和 Quartus II網絡版還提供了和業(yè)界領先和第三方綜合和仿真工具的無縫集成。 圖 Customize對話視窗 用于 MAX 3000A， MAX 7000AE， MAX 7000B和 MAX 7000S設計， Quartus II 比 MAX+plus軟件 ，設計性能平均快 15%，對于給定設計平均減少 5%的器件資源優(yōu)勢。存儲器編譯器動態(tài)生成基于用戶參數的存儲器結構運行波形顯示，支持假設分析。根據程序計數器 PC 的值從指令存儲器中取出指令，并將指令送到取指 IF 段的鎖存單元中 2) 指令地址的計算。 PC 選擇模塊的設計 PC 選擇模塊是下一條指令地址的選擇單元，在輸入端根據 sel[3..0]的值選擇四個源nextpc[15..0]、 branchpc[15..0]、 retPC[15..0]、 retiPC[15..0]中的一個，作為執(zhí)行下一個指令的地址送到程序計數器 progc 中。 newpc : out std_logic_vector(15 downto 0))。 PC PC+1 ROM IF/ID流水線寄存器 基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 19 use 。檢驗指令的操作碼和功能碼是否符合指令集設計中的定義，如果指令不正確，則返回一個異常。通過這幾個模塊設計，最后綜合出整個完整的基于流水線技術的 RISC CPU。 2) Quartus II集成和綜合以及第三方綜合的支持 ： Quartus II軟件包括了全面的集成綜合方案 ， 以及對來自 Mentor Graphics、 Synopsys和 Synplicity的主要第三方綜合軟件的高級集成。設計者可以依據個人偏好，自行設定 Quartus II軟件的布局、功能表、指令和圖示。該軟件具有開放性、與結構無關、多平臺、完全集成化、豐富的設計庫、模塊化工具、支持各種 HDL語言、有多種高級編程語言接口等特點，可以很方便地與以往的 MAX+plus II設計環(huán)境相互切換。一個程序包由兩大部分組成：包頭（ Header）和包體（ Package Body），其中包體是一個可選項，也就是說，程序包可以只由包頭構成。在 VHDL 語言中，庫的說明總是放在設計單元的最前面： LIBRARY 庫名； 這樣，在設計單元內的語句就可以使用庫中的數據。實體中定義了該設計所需的輸入 /輸出信號，信號的輸入 /輸出類型被稱為端口模式，同時實體中還定義他們的數據類型。 VHDL 支持廣泛，目前大多數 EDA 工具幾乎都在不同程度上支持 VHDL。 VHDL特點 VHDL 主要用于描述復雜數字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口。 VHDL 語言概述 硬件描述語言 (HDL)是電子系統(tǒng)硬件行為描述、結構描述、數據流描述的語言。 4) 存儲字型數據通路。ALU 執(zhí)行由指令指定的操作，然后將 ALU 輸出的結果寫回寄存器文件中。 SI 型指令用于移位指令，該指令由一個 4 位操作碼 opcode、一個 3 位目標寄存器 R一個 5 位立即數和一個功能碼構成。 表 R 型指令 操作 碼 指令 功能描述 功能碼 func 0000 NOP 無操作 000 ADD R1,R2,R3 有符號加法（ R1=R2+R3） 010 ADDu R1,R2,R3 無符號加法（ R1=R2+R3） 001 SUB R1,R2,R3 有符號減法（ R1=R2R3） 011 SUBu R1,R2,R3 無符號減法（ R1=R2R3） 100 SLT R1,R2,R3 有符號比較，小于時置位 101 SLTu R1,R2,R3 無符號比較，小于時置位 110 0001 NOT R1,R2 邏輯非（ R1=NOT R2） AND R1,R2,R3 邏輯與 000 OR R1,R2 邏輯或 001 XOR R1,R2,R3 邏輯異或 010 NOR R1,R2,R3 邏輯或非 011 0010 IN R1 端口輸入 000 OUT R1 端口輸出 001 opcode 16 位 R1 R2 R3 func 基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 10 0011 JAL R1,R2 跳轉 000 RET 子程序返回 001 寄存器立即數型 (RI 型 )，與 R 型有所類似，但指令的后 6 位是用于表示一個即數。 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)中最常用的指令是寄存器型 (R 型 )。 RISC CPU 的最大的特點是簡單且結構相似的指令集在流 水線中高效并行執(zhí)行。 為保證指令在流水線中可靠的執(zhí)行，需要在流水的各級之間安排一組寄存器，用以保存當前時鐘周期運算的結果，以便為下一個周期使用，即流水線寄存 器。流水線的五個部分是被流水線寄存器分開的，這幾個流水線寄存器分別為 IF/ID 流水線寄存器、 ID/EXE流水線寄存器、 EXM/MEM 流水線寄存器、 MEM/WB 流水線寄存器。計算機中的流水線是把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并行進行。 流水線設 計 100ms 單 元 (ded） 加 1 Sec 單元 加 1 Sec=60? ded=10? min 單元 加 1 min=60? 數碼管顯示器 N N N T0 定時器100ms 定時中 斷 Hour 單元 加 1 基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 7 對于一條指令的從執(zhí)行到完成的過程中，更加合理的劃分方式是將其劃分為取指、譯碼、執(zhí)行、存儲器操作、寫回寄存器等 5 階段。如圖 3 為單片機構成電子鐘的原理圖。 電源部分負責對整個系統(tǒng)供電。采用自頂向下的設計方法，數據總線和地址總線均為 16 位。 本文的目的和意義 隨著大規(guī)模集成電路技術日益成熟，通信技術、計算機技術、網絡技術及家用電器產業(yè)飛速發(fā)展，嵌入式微處器的應用越來越廣泛。此時應該使用FPGA/CPLD 廠商提供的軟件工 具，根據所選芯片的型號，將綜合輸出的邏輯網表適配到具體的 FPGA/CPLD 器件上，這個過程就叫實現過程在實現過程中最主要的過程是布局布線 (PAR， Place And Route)：所謂布局 (Place)是指將邏輯網表中的硬件原語或者地層單元合理地適配到 FPGA 內部的固有硬件結構上，布局的優(yōu)劣對設計的最終實現結果 (在速度和面基于 FPGA 的嵌入式 CPU 設計 4 積兩個方面 )影響很大 。 2) 功能仿真：電路設計完成后，要用專用的仿真工具對設計進行仿真，驗證電路功能是否符合要