基于FPGA的8位CPU設(shè)計

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(安陽師范學(xué)院，河南 安陽 455000)

CPU作為計算機系統(tǒng)的核心，其功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是國內(nèi)外研究的熱點。近年來隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用EDA技術(shù)，基于FPGA器件的CPU設(shè)計成為計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗中的重要內(nèi)容[1]。如何使CPU更有效率地工作，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更精簡，一直是研究的方向。本文研究了CPU的功能和結(jié)構(gòu)特點，完成了一個8位CPU的設(shè)計，并給出綜合仿真結(jié)果。

1 CPU功能簡介、模塊組成和指令集

本文設(shè)計的CPU是基于FPGA器件的具有完整的取指、譯碼、執(zhí)行功能的8位CPU。在此設(shè)計中，指令系統(tǒng)采用單字長結(jié)構(gòu)，指令地址碼部分采用直接尋址方式，指令所能訪問的數(shù)據(jù)存儲器的地址空間為32字節(jié)。為簡化處理，所設(shè)計的指令存儲器的地址空間也為32字節(jié)，用5位指令地址進(jìn)行訪問取指。

1.1 CPU功能簡介

CPU的功能主要是取指令、分析指令、執(zhí)行指令。其工作過程是對所存儲的程序指令進(jìn)行讀取，并進(jìn)行指令譯碼，從而按照指令所代表的含義執(zhí)行相應(yīng)操作?；诖嗽O(shè)計的CPU及存儲器的大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖中可以清晰地看到整個CPU的運作過程。首先從寄存器PC中取出指令地址，根據(jù)指令地址從指令存儲器中取出指令，將指令放入寄存器IR中，再根據(jù)寄存器IR中的指令進(jìn)行指令分析；其次從數(shù)據(jù)存儲器中進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，通過ALU運算器，最終按照指令要求進(jìn)行數(shù)據(jù)加工操作；最后根據(jù)AC結(jié)果值，對標(biāo)志位ZF進(jìn)行賦值。根據(jù)整個CPU的運作過程，把CPU的功能模塊設(shè)計成取指部件、譯碼部件、執(zhí)行部件三大功能部件，然后設(shè)計一個時序信號處理部件來控制這三個部件的執(zhí)行[2]。

圖1 CPU結(jié)構(gòu)圖

1.2 CPU的模塊組成

基于FPGA的8位CPU的設(shè)計主要包括三大功能部件：取指部件、譯碼部件、執(zhí)行部件。這三大功能部件的執(zhí)行通過時序信號處理部件timer來控制，從而模擬CPU的功能。其中，取指部件的主要功能是根據(jù)指令地址從指令存儲器中取出指令，然后把取出的指令送給譯碼部件；譯碼部件進(jìn)行指令功能解析，取出需要操作執(zhí)行的數(shù)據(jù)；執(zhí)行部件根據(jù)譯碼部件提供的譯碼命令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行最終的操作執(zhí)行[3]。

(1)取指部件：i_fetch，如圖2所示。該部件以PC中的指令地址instr_addr為輸入，在指令存儲器中讀取指令，在時鐘信號的邊沿將指令存入指令寄存器IR中,并將取指令地址+1送入pcaddl。該部分的核心為指令存儲器。

圖2 取指部件：i_fetch

(2)指令譯碼部件：i_decoder，如圖3所示。該部件以IR中的指令代碼為輸入，完成指令譯碼分析，產(chǎn)生各種控制命令。因為指令系統(tǒng)中的各指令地址都采用直接尋址，所以譯碼階段可直接使用該地址處理，以完成數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)存儲器上的存取操作。在執(zhí)行指令譯碼部件功能時，需要考慮PC值的變化情況。在指令地址沒有發(fā)生跳轉(zhuǎn)時，需對PC置入取指部件送來的指令地址pcaddl，產(chǎn)生后繼指令地址；在轉(zhuǎn)移執(zhí)行時，需對PC置入轉(zhuǎn)移地址，同時在系統(tǒng)執(zhí)行指令時，無論指令地址是否發(fā)生跳轉(zhuǎn)，如果系統(tǒng)的復(fù)位信號RESET產(chǎn)生復(fù)位，都需要對PC清0；在執(zhí)行動態(tài)停機指令halt時，可使PC值保持不變。

圖3 指令譯碼部件：i_decoder

(3)指令執(zhí)行部件：i_exe，如圖4所示。該部件包括ALU與累加器AC，ALU為核心部件。對AC值的打入使用時序信號控制，同時執(zhí)行部件會根據(jù)AC結(jié)果值，對標(biāo)志位ZF進(jìn)行賦值，該標(biāo)志會被送回指令譯碼部件，當(dāng)執(zhí)行jz指令時，決定是否轉(zhuǎn)移。

圖4 指令執(zhí)行部件：i_exe

(4)時鐘信號處理部件：timer，如圖5所示。該部件本來是控制器的一個組成部分，現(xiàn)在單獨作為一個模塊來設(shè)計。考慮到前面的3個模塊的劃分，每個部件都需要一個時鐘信號來控制其中寄存器、存儲器部分?jǐn)?shù)據(jù)的寫入和讀出。每個部件所需要的時鐘信號分別稱為T1、T2、T3，它們是由時鐘信號處理部件timer根據(jù)時鐘信號clock周期性地依次產(chǎn)生的，但在系統(tǒng)復(fù)位時不產(chǎn)生時鐘信號。

圖5 時鐘信號處理部件：timer

1.3 指令集

設(shè)指令字長為8位，每字節(jié)存放一條完整的指令，指令操作碼為高3位，地址碼為低5位，CPU的尋址方式為直接尋址，CPU設(shè)計中的機器指令主要支持如下指令，如表1所示。

2 關(guān)鍵模塊的設(shè)計

2.1 指令譯碼部件的設(shè)計

在該CPU設(shè)計中，指令譯碼部件通過取指部件取得指令，根據(jù)指令集將指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生控制指令執(zhí)行的一系列命令，同時完成存取數(shù)據(jù)的處理。其VHDL程序?qū)嶓w部分定義如圖6所示。

表1 指令系統(tǒng)表

圖6 指令譯碼部件VHDL程序?qū)嶓w部分定義截圖

在指令譯碼部件程序截圖中，zf為0標(biāo)志位，reset為復(fù)位信號，wr_data為要寫入數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)，t2為時鐘，pcadd1為加1后的指令地址，instr_coder為IR中存儲的指令代碼，pc為輸出的指令地址，dmem_out為輸出的數(shù)據(jù)，fun_alu為控制執(zhí)行部件的操作命令，ac_in用來控制執(zhí)行部件是否打入AC值。

2.2 時序控制部件的設(shè)計

時序控制部件應(yīng)依次產(chǎn)生控制各功能部件操作的時序信號。應(yīng)用VHDL語言完成其設(shè)計后，其VHDL程序結(jié)構(gòu)體部分定義如圖7所示。

圖7 時序信號處理部件timer的VHDL程序結(jié)構(gòu)體部分定義截圖

在時序控制部件程序截圖中，t1、t2、t3通過信號count來依次獲取時鐘，獲取時鐘后，t1用來控制取指部件，t2用來控制指令譯碼部件，t3用來控制執(zhí)行部件。在代碼中，獲取時鐘的順序為t1、t2、t3，所以在CPU執(zhí)行中，先執(zhí)行取指部件，再執(zhí)行譯碼部件，最后執(zhí)行執(zhí)行部件。

3 軟件仿真綜合與硬件實現(xiàn)

3.1 軟件綜合與仿真

此次設(shè)計的CPU總共有四大模塊，首先對每個模塊進(jìn)行單獨的設(shè)計和仿真，實現(xiàn)其功能，然后將各個模塊進(jìn)行連接,創(chuàng)建頂層的設(shè)計文件simcom.bdf。頂層模塊連接圖如圖8所示。

圖8 頂層模塊連接圖

在完成總體設(shè)計的情況下，用 QuartusII9.0對其進(jìn)行綜合和仿真，根據(jù)之前對存儲器中指令和數(shù)據(jù)的設(shè)置，得到仿真結(jié)果，如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果圖

其仿真所用程序指令可理解如下：

pc 指令 指令含義 數(shù)據(jù)地址 數(shù)據(jù)

0 00000100 load 4 00000100 00000111

1 01000100 add4

2 00100100 store 4

3 11000000 halt 4

3.2 CPU設(shè)計的硬件實現(xiàn)

基于FPGA的8位CPU設(shè)計，其硬件最終實現(xiàn)是在Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T100A8上完成的，而最后的硬件仿真結(jié)果，也如預(yù)期的那樣，得到了實現(xiàn)和驗證。

4 結(jié) 語

基于FPGA的8位CPU設(shè)計，完成了對CPU功能模塊的設(shè)計和仿真，充分展示了使用FPGA和VHDL進(jìn)行EDA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越性。該設(shè)計中使用獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，這相當(dāng)于在CPU內(nèi)使用獨立的指令CACHE和數(shù)據(jù)CACHE，為后繼進(jìn)行基于哈佛結(jié)構(gòu)的復(fù)雜CPU設(shè)計或帶CACHE結(jié)構(gòu)的CPU設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯志忠，楊春武.開放式實驗CPU設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 李強，潘明，許勇.基于FPGA的RISC微處理器的設(shè)計和實現(xiàn)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報, 2005(11): 294-297 .

[3] 馬輝，王丁磊.計算機組成原理[M].北京：中國水利水電出版社，2010.