雷少波，黃 民

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

隨著微電子及EDA技術(shù)的高速發(fā)展，可編程邏輯器件的研發(fā)與應(yīng)用也取得了長足的進(jìn)步。其中，基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的片上系統(tǒng)（System on Chip）在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的專用集成電路（ASIC）相比，其具有開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)簡單靈活等特點(diǎn)。

本文描述了基于FPGA的16 bit嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該處理器采用程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分離的哈佛型結(jié)構(gòu)，采用精簡指令集（RISC），指令面向寄存器操作，加快了運(yùn)行速度，簡化了控制邏輯。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該處理器執(zhí)行指令時(shí)按照取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）和結(jié)果保存（WR）4個(gè)階段依次進(jìn)行。由于采用4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)鐘周期能完成一條指令的執(zhí)行。

1.1 指令系統(tǒng)

該處理器采用RISC型指令，設(shè)置了數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)邏輯運(yùn)算和程序控制3大類共21條指令，指令格式固定，每條指令長度為32 bit。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

該處理器共有4級(jí)流水線，因此可將硬件基本劃分為取指、譯碼、執(zhí)行和結(jié)果保存4部分。

1.2.1 取指

取指部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。與參考文獻(xiàn)[1]中提及的處理器取指部分相比，其增加了PC選擇生成器G_PC，通過它實(shí)現(xiàn)了無延遲的程序轉(zhuǎn)移指令。

G_PC是本部分的核心，其部分Verilog HDL實(shí)現(xiàn)代碼如下：

圖1 處理器取指部分結(jié)構(gòu)

優(yōu)先編碼器coder則從硬件電路上實(shí)現(xiàn)了中斷源的優(yōu)先級(jí)，即3號(hào)中斷優(yōu)先級(jí)最高，然后依次遞減（3號(hào)中斷的優(yōu)先級(jí)值為 4，2號(hào)中斷的優(yōu)先級(jí)值為 3，1號(hào)中斷為2，0號(hào)中斷為 1）。coder的輸出信號(hào) s0既代表了中斷的優(yōu)先級(jí)，又起到了選擇中斷入口地址的作用。

取指部分的具體工作流程如下。

（1）假設(shè)此時(shí)指令地址add_pc在ROM中對(duì)應(yīng)的指令inst為sub r0，r1，r2，此類語句不會(huì)使下一條指令地址發(fā)生轉(zhuǎn)移。同時(shí)假設(shè)沒有中斷信號(hào)產(chǎn)生，于是當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到達(dá)時(shí)，由G_PC生成的控制信號(hào)s1將add_pc+4選通送入PC寄存器中，即取出物理地址相鄰的下一條指令 （加4是因?yàn)橐粭l指令有 32 bit，共4 B）。

假設(shè) add_pc在 ROM中對(duì)應(yīng)的指令 inst為 sub r0，r1，r2，且中斷狀態(tài)棧 status頂部單元數(shù)據(jù)為 0。此時(shí)有中斷信號(hào)0和中斷信號(hào)2產(chǎn)生，優(yōu)先編碼器coder生成的s0為 2號(hào)中斷的優(yōu)先級(jí) 3（大于status頂部數(shù)據(jù) 0），于是中斷請(qǐng)求信號(hào)inta有效。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到達(dá)時(shí)，G_PC生成的 s2信號(hào)和epc_down信號(hào)將add_pc+4壓入返回地址棧EPC中，s0和由G_PC產(chǎn)生的信號(hào)s1將2號(hào)中斷的入口地址v2送入PC寄存器中（0號(hào)中斷被忽略掉），同時(shí)將s0的值 3（即2號(hào)中斷的優(yōu)先級(jí)）壓入中斷狀態(tài)棧status頂部。

（2）假設(shè)此時(shí)add_pc在 ROM中對(duì)應(yīng)的指令 inst為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)jump 100，即程序轉(zhuǎn)移到地址100處開始執(zhí)行，且沒有中斷信號(hào)產(chǎn)生。則當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)，由 G_PC產(chǎn)生的 s1等控制信號(hào)將 inst[23：16]（此時(shí)為100）送入PC寄存器中開始執(zhí)行。

假設(shè)此時(shí)add_pc在ROM中對(duì)應(yīng)的指令inst為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)jump 100，但此時(shí)有中斷信號(hào)1產(chǎn)生（且假設(shè)此時(shí)status頂部值小于 2），則 inta為 1。于是 G_PC產(chǎn)生的控制信號(hào)將 inst[23：16]（即 100）壓入 EPC頂，將中斷 1的優(yōu)先級(jí)（即s0的值2）壓入 status頂部，將中斷1的入口地址送入PC寄存器中,開始響應(yīng)中斷。如果之后又產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)大于2的中斷，則將相關(guān)數(shù)據(jù)壓棧后響應(yīng)中斷，若產(chǎn)生中斷的優(yōu)先級(jí)小于或等于2，則被忽略不執(zhí)行。

條件轉(zhuǎn)移jz、jnz與jump指令類似，只是當(dāng)譯碼階段產(chǎn)生的Z信號(hào)為1時(shí)，jz跳轉(zhuǎn)，Z為0時(shí)jnz跳轉(zhuǎn)。通常比較指令comp后面緊跟條件轉(zhuǎn)移指令來實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移控制。

（3）假設(shè)此時(shí)add_pc在 ROM中對(duì)應(yīng)的指令 inst為調(diào)用指令call 100，執(zhí)行此條指令時(shí)忽略所有中斷請(qǐng)求信號(hào)，將 add_pc+4壓入 EPC中后，將 inst[23：16]（即100）送入PC寄存器中開始執(zhí)行調(diào)用程序。

（4）假設(shè)此時(shí)add_pc在 ROM中對(duì)應(yīng)的指令 inst為中斷返回指令int_ret，且沒有高優(yōu)先級(jí)的中斷產(chǎn)生，則EPC頂部的數(shù)據(jù)add_ret送入PC寄存器中，同時(shí)，EPC和status中的頂部數(shù)據(jù)彈出，其余數(shù)據(jù)依次上移一位。

假設(shè)此時(shí)add_pc在ROM中對(duì)應(yīng)的指令inst為中斷返回指令int_ret，但有優(yōu)先級(jí)比status頂部單元數(shù)據(jù)高的中斷信號(hào)產(chǎn)生，則G_PC產(chǎn)生的cover信號(hào)有效，status頂部數(shù)據(jù)被新的中斷優(yōu)先級(jí)值所覆蓋，EPC維持不變，同時(shí)響應(yīng)新中斷。

（5）調(diào)用返回指令call_ret與中斷返回指令 int_ret類似，不過執(zhí)行時(shí)status中的數(shù)據(jù)不彈出。

1.2.2 譯碼

譯碼部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 處理器譯碼部分結(jié)構(gòu)

譯碼部分核心是控制單元ctrl。為了解決流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)，采用了內(nèi)部前推的方法，將執(zhí)行部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)result回送至本部分。將比較單元comp產(chǎn)生的信號(hào)Z送至譯碼部分，使得條件跳轉(zhuǎn)指令（jz、jnz）在取指階段就能實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)無延遲跳轉(zhuǎn)。

本部分中的寄存器堆reg_file在時(shí)鐘下降沿且寫信號(hào)l_e_w_reg有效時(shí)執(zhí)行寫數(shù)據(jù)操作（實(shí)現(xiàn)結(jié)果保存WR這一部分的功能）。ctrl產(chǎn)生的一部分控制信號(hào)通過執(zhí)行控制寄存器EXR送至下一級(jí)使用。

1.2.3 執(zhí)行

執(zhí)行部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。此部分核心是算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU，前面譯碼部分的ctrl產(chǎn)生的運(yùn)算控制碼alu_code指定運(yùn)算操作，運(yùn)算結(jié)果c_out送入5/1選擇器mux6。關(guān)于mux6的其余4路數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的指令為：dout對(duì)應(yīng)load ra，imme即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中指定地址單元M[imme]的數(shù)據(jù)送入 ra號(hào)寄存器中；ds對(duì)應(yīng) pop ra，即將數(shù)據(jù)堆棧stake棧頂?shù)臄?shù)據(jù)彈入ra號(hào)寄存器中；e_imme對(duì)應(yīng)指令 val ra，imme送立即數(shù) imme入 ra號(hào)寄存器；e_db對(duì)應(yīng)mov ra，rb即將rb號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)送入ra號(hào)寄存器中。

圖3 處理器執(zhí)行部分結(jié)構(gòu)

1.2.4 結(jié)果保存

這里的結(jié)果保存是針對(duì)目的地址為寄存器的指令，如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸指令等。工作流程即將圖3中 RSR的 l_e_ra、l_e_w_reg、l_result信號(hào)送入圖2中的reg_file。當(dāng)時(shí)鐘下降沿到達(dá)且l_e_w_reg有效時(shí)，數(shù)據(jù)l_result被寫入l_e_ra號(hào)寄存器中。

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)，利用Altera公司的Quartus II軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真時(shí)設(shè)計(jì)在取地址為32的指令時(shí)出現(xiàn)0號(hào)中斷，在取地址為52的指令時(shí)出現(xiàn)1號(hào)中斷。實(shí)際執(zhí)行時(shí)，1號(hào)中斷嵌套在0號(hào)中斷之中。對(duì)應(yīng)中斷的入口地址分別為48、68。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中a0～a6分別顯示的是r0～r6號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)；v0、v1分別是0號(hào)中斷、1號(hào)中斷的入口地址；pc_num是處在取指階段的指令的地址；ints是中斷輸入信號(hào)，ints＝1、ints＝2分別表示外設(shè)請(qǐng)求 1號(hào)中斷、外設(shè)請(qǐng)求2號(hào)中斷。從圖4中可以看出：

（1）幾乎每條處在取指階段的指令都要經(jīng)過3個(gè)時(shí)鐘上升沿和一個(gè)時(shí)鐘下降沿后才執(zhí)行完畢。這是因?yàn)橹噶钊≈竿瓿珊?，還要經(jīng)過譯碼、執(zhí)行和結(jié)果保存3個(gè)階段，并且結(jié)果保存是在時(shí)鐘下降沿完成的。但由于是流水線結(jié)構(gòu)，故等效于每一個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令。

（2）當(dāng)取到地址為 pc_num＝32的指令時(shí)，中斷信號(hào)1產(chǎn)生，于是下條指令的取指地址為1號(hào)中斷入口地址48。執(zhí)行1號(hào)中斷的子程序到52時(shí)，中斷信號(hào)2產(chǎn)生，于是響應(yīng)2號(hào)中斷，下條指令地址為2號(hào)中斷入口地址68（2號(hào)中斷子程序就一條返回指令）。

（3）當(dāng)執(zhí)行地址為 24的 jump 0指令時(shí)，下條指令地址為0，實(shí)現(xiàn)了無延遲轉(zhuǎn)移。

綜上所述，經(jīng)初步驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，并具備中斷及其嵌套、無延遲轉(zhuǎn)移等功能。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的16 bit嵌入式RISC微處理器。該處理器主要特點(diǎn)是通過增加硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)移指令的無延遲實(shí)現(xiàn)以及對(duì)中斷及調(diào)用指令的支持。在下一步工作中將優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加外圍設(shè)備，逐步構(gòu)成一個(gè)高性能的單片系統(tǒng)。

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