如何利用FPGA研究CPU工作原理实现其功能？

1 引 言

微型计算机原理几乎是所有理工科类大学生的必修课目之一， 其重要性不言而喻。然而大多数教学侧重于应用方面， 对计算机的结构及工作原理涉之不深， 因为无法做一个CPU 来演示。这样学生不能真正了解其性能特点， 掌握内部结构， 在学习汇编语言的时候增加了难度， 影响学习兴趣。随着可编程逻辑器件的广泛应用， 给数字系统的设计带来了极大的灵活性， 用户可以利用现场可编程门阵列FPGA 来开发出一个适合自己的专用CPU， 对微型计算机的原理及结构进行充分理解与研究， 便于将来从事相关ASIC设计， 开发出创新型的产品， 为我国计算机发展做贡献。

现场可编程门阵列FPGA 门数众多， 人们可以将合适的IP软核或其他形式的核作为嵌入式模块装在自己的设计中。但通常IP软核需要门数较多的FPGA 器件支持， 作为学习来说的FPGA 芯片往往资源有限， 需要节约FPGA 的成本与面积; 并且没必要实现所有功能， 只要做出关键部分及重要结构，明白其运行机理， 又能与真实的CPU 紧密相联即可。实验箱上采用的FPGA 芯片为A ltera 公司的EPF10K20TC144- 4。这里以Inte l的8085A 为例来说明8位计算机的工作原理。

2 8085A CPU 设计及实现

2. 1 FPGA 芯片及外围电路简介

A ltera的FLEX10K 器件是工业界首例嵌入式PLD， 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20带有144个LAB （逻辑阵列块） 和1152 个逻辑单元， 最大I/O数目为189。另外， 芯片中嵌入式陈列块（ EAB）有6个， 其RAM 总位数为12288。

实验涉及到FPGA 芯片的外围部分包括控制开关、2* 8键盘输入、6个数码管输出、8个输入端口、8个输出端口及2个中断开关等。主要用来增添程序设计的灵活性及形象性， 使其可现场调试， 验证结果， 避免单纯用软件仿真的不足。外围电路控制模块及结构可参见文献［ 1］ 。

现场调试时可以通过控制开关， 手动从键盘输入相应的地址及数据（通过数码管显示）， 输错可以修改; 用写使能开关给RAM 写入相应程序。当输入完所有程序后， 按下运行开关即可执行程序， 在数码管上显示地址、数据及最终结果。控制开关用于配合键盘通过手动方式输入程序， 可以形象化的现场编程。在软件下载后不使用计算机， 通过按钮、键盘就能将程序输入到RAM 中， 然后运行， 显示出结果。

2. 2 CPU模块

2. 2. 1 内部结构

CPU 模块的内部结构如图1所示。微型计算机由下面几个部分组成： 8位通用寄存器H、L， 16位程序计数器（ PC ） ， 16位堆栈指示器（ SP）， 一个加1 /减1 地址锁存器（ ADD /ADR ）， 8 位NL 寄存器（ NL） ， 8位中断时间寄存器（ T IMER ） ; 算术逻辑单元（ALU ）， 累加器（A ）， 标志寄存器（ FR ）， 数据选择器（ SEL） ; 指令寄存器（ IR） ， 控制器（ CON ） ， 4选1多路选择器（MUX） ， 存储地址寄存器（MAR ） ， 8 位数据寄存器（MDR） ; 输入数据寄存器（ INDT ）， 输出数据寄存器（ OUTDT ）等部分组成。其中标志寄存器有4位， 分别是： 进位位（ Cy）、零位（ Z）、符号位（ S）、奇偶位（ P） ， 微机通过检测这些标志位的1位或多位来判断程序是否需要转移。

图1 微型计算机CPU 结构图

图中字母L为数据载入控制信号， E 为三态输出选通信号， clk为时钟信号， c lr为清零信号， W 为数据载入PC信号， Cpc为控制PC 加1信号， S3- S0为控制ALU 进行加减、逻辑运算或移位运算的选择信号， Iadr、Dadr为加1 /减1地址锁存器加1减1控制信号， Isp、Dsp为堆栈指示器的加1减1 控制信号， E ram、W ram 为读写RAM 控制信号。另外， 累加器（A ） ， 标志寄存器（ FR ）增加了专用的清零信号。

所有的控制、时钟及清零信号由控制器（ CON）模块给出， 而CON 模块由外部时钟clkin、清零信号rst及使能信号enable 控制。存储地址寄存器（MAR ）用来给RAM输送地址， 从RAM 读指令和数据， 也可以给RAM写数据。

A ltera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6个嵌入式陈列块， 其RAM 总位数为12288。这里RAM 可配置为1024 * 8（ 1024个地址， 8位数据） ，直接调用参数可设置模块库中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件， 用文本编辑器编辑m if文件来初始化数据。如果不用FPGA 的内部RAM， 可外接64K的8位RAM， 即寻址空间为64K。

2. 2. 2 指令系统

内部工作原理和指令系统紧密相联。本微机共有54条指令， 可分为8类， 即数据传送指令、算术与逻辑运算指令、移位指令、增量与减量指令、堆栈操作及中断指令、转移指令、子程序调用及返回指令、其它指令等。指令系统与8080 /8085的指令系统表基本一致， 标志位的变化（无辅助进位位） 与其相同， 可参见文献。

由于资源所限， 没有使用8085A 所有的寄存器及某些功能， 如B、C、D、E 寄存器等， 但是这并不妨碍本微机能够实现其绝大多数功能。从时钟周期数（状态数）来说， 比8085A 更少， 也就是说速度更快。

数据传送指令有14条（一个n表示一个8位二进制数据）： 3个状态数的movah （将H 的内容存入A ）、movha、mov la（将A 的内容存入L）、mova;l 4状态的mvian（将数据n存入A）、mv ihn、mv iln、mvitn（将数据n 存入t ime寄存器， 此指令为新增） ; 5 状态的movma（将A 的内容装入HL所指的地址）、movam; 4状态数的sphl（将HL寄存器的内容装入SP）; 6状态的inn（ n所指地址的内容给A ）、outn; 4状态的cd _out（A内容给PC+ 1， 停机， 此指令为新增）等。

算术与逻辑运算指令有13 条： 3 状态的cmc（ Cy符号取反）、stc（ Cy置1） 、cma（寄存器A 内容取反）; 4状态的addh（将A 与H 相加后给A ）、adin（将A 与n相加后给A）、subh、su in、cmph（将A 与H相比较（只影响符号） ）、adch（将A 与H 及符号Cy相加后给A ）、sbbh、anah（将A 与H 寄存器的内容相与后给A ）、orah、xrah（将A 与H 异或后给A ）等。

移位指令有4条， 同8085A。增量与减量指令有4条， 只针对H、L寄存器。堆栈操作及中断指令有8条： 7 状态的pushh（ HL 压入堆栈）、pushp（ AF压入堆栈）; 6状态的poph、popp; 8状态的rsta（重新启动）; 3状态的etim e（ T 寄存器使能， 此指令为新增）、eint（中断使能）、d int等。转移指令有5条： 7状态的jmpn（无条件转移至程序nn， 低位在前）; 不跳转时5状态， 跳转时7状态的jnn（ Z= 1时转移至程序nn）、jcn、jmn、jpen等。子程序调用及返回指令有2条： 11状态的calln （保留当前PC， 转移至程序nn， 低位在前）、7状态的ret（返回）。其它指令有4条： 3状态的nop、c lrF（标志寄存器清零， 此指令为新增）、clrA （A 清零， 此指令为新增）、hlt等。

状态数的计算， 若本次指令的前面一指令为3状态数时， 本指令将会减少1 状态。如： movha，adin; 若第1指令movha前没有其它3 状态指令时，它是3个状态， 而adin会减少1状态， 由原来的4状态变为3状态。再如： mov la， movha; 则后一状态由3状态变成2状态。其余类似（但不包括rsta）。

2. 2. 3 工作原理

由图1可知， 不同的子模块一共有20个， 每个模块用VHDL程序来实现， 最后用元件例化语句构成总模块。下面以设计算术逻辑部件模块c_alu及控制模块c_con为例简要介绍一下思路。

（ 1）算术逻辑部件c_alu。

算术逻辑部件c_a lu非常占用FPGA的逻辑单元log ic cells， 需要尽量优化。S3- S0为控制ALU 进行加减、逻辑或移位运算的选择信号， 一共可得到16种运算， 这里用了13种： 6种算术、3种逻辑运算和4种移位指令。如加法、减法、加1、减1、带符号位加法、带符号位减法; A 或B、A 与B、A 异或B; A 左移、A右移、A 带Cy 左移、A 带Cy右移等。另外， ALU 的运算直接影响到符号位的变化， 运算结果存入标志寄存器（ FR）。有关alu的运算多为4个状态。

（ 2）控制模块c_con。

占用FPGA 的逻辑单元log ic ce lls最多的是控制模块c_con。在参考文献［ 3］ 中的思路不再适合于稍大型的CPU 设计， 但它是理解如何控制CPU 信号的一个起点。对于一条指令应该细化到每一个步骤及每一位， 而不再是以一个控制字的方式去实现。以指令movah为例， 首先把PC 值送入MAR 寄存器， 此为状态s0， 这时起作用的是Lmar; 然后在状态s1时， PC值加1， 将存储器单元中的内容读入到IR， 这时Cpc、E ram、Lir起作用， Lmar不再起作用， 需要置0; 接着在状态s2时， 对IR 寄存器中的指令进行译码， 所有的操作指令都是在此状态译码（不包括rsta）。对于3状态指令， 不保存指令， 直接执行， 然后跳转到状态s1。因此对于下一条指令来说， 其状态数减1。

指令中状态数最多的是子程序调用ca lln指令。

C alln指令要保存PC 值到SP- 1及SP- 2中， 然后跳转到子程序。考虑到返回指令ret执行后， PC 要重新在原位置执行， 那么存入SP中的PC 值应该是在得到其指令后加3。对PC 进行单独加3是一种思路， 但需要另外耗费资源， 并且增加状态。这里采用了先把ca lln后的nn存入16位的加1 /减1 地址锁存器， 然后保存PC 到SP， 再将nn 赋值给PC， 跳转到子程序的方法。返回指令ret不仅可以用作子程序调用后的返回， 还可用于中断的返回。

2. 3.。 FPGA 实现及编程思路

由于使用内部RAM， 其地址空间为0000 -03FFH。通常在00H 中放入28 （即jmpn， 跳转指令） ， 将程序跳转到从40H 开始。把03- 0EH 作为放常用变量的空间， 用inn及outn指令来调用， 以解决寄存器不足的缺陷。这也是一种编程思路， 可参见文献［ 4］ 。0FH、1FH、2FH 分别为外部中断0（ int0） ， 外部中断1（ int1）， 定时器中断（ time） 的起始位置。Int0优先级最高， int1次之， time最低。中断信号高电平有效。中断功能的实现是为了学习其工作原理， 只做了一个定时器中断。计时为减1方式， 当计时为0时， 发出中断信号。T ime中断的使用方法： 首先关中断（ dint）， 给T赋值（mv itn） ， 再开中断（ e int）， T寄存器使能（ et ime）。此后， T 寄存器正常工作。若要再次使用， 首先给T 赋值， 然后T寄存器使能。

初始时的PC 为0000H， SP为03FFH。SP的更改可通过指令sph l来执行。针对实验箱， 将8000-0FFFFH 作为输出口地址， 4000 - 7FFFH 作为输入口地址。而实际实验箱上只定义了1个8位输入， 1个8位输出。IO 口的操作可通过movam 及movma指令去实现。

由于键盘输入时， 要进行去抖动处理， 使用了两种不同的时钟频率。键盘处理采用1KH z的频率，而CPU 的工作时钟可选择实验箱上的不同频率， 从1H z到10MH z皆可， 甚至可以外接其它更高频率。

如果采用1H z的clk in 频率， 可以清楚地看到CPU工作的每一过程。

将本微机下载到实验箱上， 已成功实现了乘法（用减1或右移的方法）， 调用子程序， IO 口的使用，中断的使用等多项实验， 验证了CPU 设计的正确性。

3 结束语

QuartusII对微机进行编译， 其逻辑单元LE 用到1151， 占100% 。用FPGA 来实现CPU 的功能， 研究其工作原理， 然后用Synp lify pro软件对其进行门级研究， 对CPU 的面纱将不再感到神秘， 有利于做成专用集成电路ASIC， 控制其规模， 节约芯片成本与面积。同时， 也会增加对FPGA 的学习兴趣和使用技巧， 开发出更多新的产品。