基于Xilinx Spartan II系列FPGA器件实现IP核的设计.docx
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1、基于Xi1inxSpartanII系列FPGA器件实现IP核的设计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(SystemonaChip)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AS、,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CPUIP核对我国在电子技术方面跟上世界先进的步伐,
2、提高信息产业在世界上的核心竞争力有重大意义。精简指令集计算机R1SC(ReducedInstructionSetComputer)是针对复杂指令集计算机C1SC(Comp1exInstructionSetComputer)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。2CPUIP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、RISCCPU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
3、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。班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CIkI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1。皿ir信号负责判别。1oad_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%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
4、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IOadacc信号后,在CIk1时钟正跳沿时就接收来自数据总线的数据。1CPU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
5、号控制决定。控制信号datact1_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/埴旦地址。每个指令周期的前4个时钟周期用于从年1中读取指令,输出的应是PC地址,后4个时钟周期用于对幽或端口的读写,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咫T,当RST有效时,能通过信号ena使其为O,输入到状态机中以停止状态机的工作。状态机是CPU
6、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RISCCPU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,RISCCPU就会结束现行操作,并且只要rst停留在高电平状态,CP1J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RISCCPU开始工作,从ROM的
7、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飞周期读信号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MocIeISimSE6.0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
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