1 引 言

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 門數(shù)眾多，人們可以將合適的IP軟核或其他形式的核作為嵌入式模塊裝在自己的設(shè)計中。但通常IP軟核需要門數(shù)較多的FPGA 器件支持，作為學(xué)習(xí)來說的FPGA 芯片往往資源有限，需要節(jié)約FPGA 的成本與面積; 并且沒必要實現(xiàn)所有功能， 只要做出關(guān)鍵部分及重要結(jié)構(gòu)，明白其運行機(jī)理，又能與真實的CPU 緊密相聯(lián)即可。實驗箱上采用的FPGA 芯片為A ltera 公司的EPF10K20TC144- 4。這里以Inte l的8085A 為例來說明8位計算機(jī)的工作原理。

　　2 8085A CPU 設(shè)計及實現(xiàn)

　　2. 1 FPGA 芯片及外圍電路簡介

　　A ltera的FLEX10K 器件是工業(yè)界首例嵌入式PLD， 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20帶有144個LAB (邏輯陣列塊) 和1152 個邏輯單元， 最大I/O數(shù)目為189。另外， 芯片中嵌入式陳列塊( EAB)有6個， 其RAM 總位數(shù)為12288。

　　實驗涉及到FPGA 芯片的外圍部分包括控制開關(guān)、2* 8鍵盤輸入、6個數(shù)碼管輸出、8個輸入端口、8個輸出端口及2個中斷開關(guān)等。主要用來增添程序設(shè)計的靈活性及形象性， 使其可現(xiàn)場調(diào)試， 驗證結(jié)果， 避免單純用軟件仿真的不足。外圍電路控制模塊及結(jié)構(gòu)可參見文獻(xiàn)[ 1] 。

　　現(xiàn)場調(diào)試時可以通過控制開關(guān)， 手動從鍵盤輸入相應(yīng)的地址及數(shù)據(jù)(通過數(shù)碼管顯示)， 輸錯可以修改; 用寫使能開關(guān)給RAM 寫入相應(yīng)程序。當(dāng)輸入完所有程序后， 按下運行開關(guān)即可執(zhí)行程序， 在數(shù)碼管上顯示地址、數(shù)據(jù)及最終結(jié)果?？刂崎_關(guān)用于配合鍵盤通過手動方式輸入程序， 可以形象化的現(xiàn)場編程。在軟件下載后不使用計算機(jī)， 通過按鈕、鍵盤就能將程序輸入到RAM 中， 然后運行， 顯示出結(jié)果。

　　2. 2 CPU模塊

　　2. 2. 1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　CPU 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型計算機(jī)由下面幾個部分組成: 8位通用寄存器H、L， 16位程序計數(shù)器( PC ) ， 16位堆棧指示器( SP)， 一個加1 /減1 地址鎖存器( ADD /ADR )， 8 位NL 寄存器( NL) ， 8位中斷時間寄存器( T IMER ) ; 算術(shù)邏輯單元(ALU )， 累加器(A )， 標(biāo)志寄存器( FR )， 數(shù)據(jù)選擇器( SEL) ; 指令寄存器( IR) ， 控制器( CON ) ， 4選1多路選擇器(MUX) ， 存儲地址寄存器(MAR ) ， 8 位數(shù)據(jù)寄存器(MDR) ; 輸入數(shù)據(jù)寄存器( INDT )， 輸出數(shù)據(jù)寄存器( OUTDT )等部分組成。其中標(biāo)志寄存器有4位， 分別是: 進(jìn)位位( Cy)、零位( Z)、符號位( S)、奇偶位( P) ， 微機(jī)通過檢測這些標(biāo)志位的1位或多位來判斷程序是否需要轉(zhuǎn)移。

　　微型計算機(jī)CPU 結(jié)構(gòu)圖

?

　　圖1 微型計算機(jī)CPU 結(jié)構(gòu)圖

　　圖中字母L為數(shù)據(jù)載入控制信號， E 為三態(tài)輸出選通信號， clk為時鐘信號， c lr為清零信號， W 為數(shù)據(jù)載入PC信號， Cpc為控制PC 加1信號， S3- S0為控制ALU 進(jìn)行加減、邏輯運算或移位運算的選擇信號， Iadr、Dadr為加1 /減1地址鎖存器加1減1控制信號， Isp、DSP為堆棧指示器的加1減1 控制信號， E ram、W ram 為讀寫RAM 控制信號。另外， 累加器(A ) ， 標(biāo)志寄存器( FR )增加了專用的清零信號。

　　所有的控制、時鐘及清零信號由控制器( CON)模塊給出， 而CON 模塊由外部時鐘clkin、清零信號rst及使能信號enable 控制。存儲地址寄存器(MAR )用來給RAM輸送地址， 從RAM 讀指令和數(shù)據(jù)， 也可以給RAM寫數(shù)據(jù)。Altera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6個嵌入式陳列塊， 其RAM 總位數(shù)為12288。這里RAM 可配置為1024 * 8( 1024個地址， 8位數(shù)據(jù)) ，直接調(diào)用參數(shù)可設(shè)置模塊庫中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件， 用文本編輯器編輯m if文件來初始化數(shù)據(jù)。如果不用FPGA 的內(nèi)部RAM， 可外接64K的8位RAM， 即尋址空間為64K。

　　2. 2. 2 指令系統(tǒng)

　　內(nèi)部工作原理和指令系統(tǒng)緊密相聯(lián)。本微機(jī)共有54條指令， 可分為8類， 即數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)與邏輯運算指令、移位指令、增量與減量指令、堆棧操作及中斷指令、轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用及返回指令、其它指令等。指令系統(tǒng)與8080 /8085的指令系統(tǒng)表基本一致， 標(biāo)志位的變化(無輔助進(jìn)位位) 與其相同， 可參見文獻(xiàn)。

　　由于資源所限， 沒有使用8085A 所有的寄存器及某些功能， 如B、C、D、E 寄存器等， 但是這并不妨礙本微機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)其絕大多數(shù)功能。從時鐘周期數(shù)(狀態(tài)數(shù))來說， 比8085A 更少， 也就是說速度更快。

　　數(shù)據(jù)傳送指令有14條(一個n表示一個8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)): 3個狀態(tài)數(shù)的movah (將H 的內(nèi)容存入A )、movha、mov la(將A 的內(nèi)容存入L)、mova;l 4狀態(tài)的mvian(將數(shù)據(jù)n存入A)、mv ihn、mv iln、mvitn(將數(shù)據(jù)n 存入t ime寄存器， 此指令為新增) ; 5 狀態(tài)的movma(將A 的內(nèi)容裝入HL所指的地址)、movam; 4狀態(tài)數(shù)的sphl(將HL寄存器的內(nèi)容裝入SP); 6狀態(tài)的inn( n所指地址的內(nèi)容給A )、outn; 4狀態(tài)的cd _out(A內(nèi)容給PC+ 1， 停機(jī)， 此指令為新增)等。

　　算術(shù)與邏輯運算指令有13 條: 3 狀態(tài)的cmc( Cy符號取反)、stc( Cy置1) 、cma(寄存器A 內(nèi)容取反); 4狀態(tài)的addh(將A 與H 相加后給A )、adin(將A 與n相加后給A)、subh、su in、cmph(將A 與H相比較(只影響符號) )、ADCh(將A 與H 及符號Cy相加后給A )、sbbh、anah(將A 與H 寄存器的內(nèi)容相與后給A )、orah、xrah(將A 與H 異或后給A )等。