PicoBlaze处理器IP Core的原理与应用

摘要：详细分析8位微处理器IP core PicoBlaze的结构、原理与设计方案；介绍PicoBlaze的指令集和调试工具pblazeIDE，讨论PicoBlaze的编程方案和应用设计实例；列举几种PicoBlaze的应用方案。

    关键词：PicoBlaze 微处理器 知识产权内核

1 概述

PicoBlaze 8位微处理器是Xilinx(＄233.7100)公司为Virtex系列FPGA、Spartan-Iitxi系列FPGA和CoolRunner-II系列CPLD器件设计嵌入式专用IP Core。它解决了常量编码可编程状态机（KCPSM）的问题。这一模块只占用SpartanIIE的76个小区（slice），占最小的XC2S50E器件9%的资源，占XC2S300E器件不到2%的资源。在这一模块中还包括一个用于存储指令的由Block(＄23.9500) RAM组成的ROM，最多可存储256条指令。PicoBlaze只用了如此少的资源，但其速度却可达到40MIPS以上。

PicoBlaze提供49个不同的指令，16个寄存器（CPLD为8个），256个直接或间接的可设定地址的端口，1个可屏蔽的、速率为35MIPS的中断。它的性能超过了传统独立元器件组成的微处理器，而且成本低，使得PicoBlaze在数据处理和控制算法领域有着广泛的应用前景 。由于可编程部分也完成嵌入，PicoBlaze可与子程序和外围设备结合起来完成特殊的设计。其基本应用框架如图1所示。

PicoBlaze模块由VHDL语言设计，不需要预编译，可直接由布局布线工具嵌入到容量大一点的器件中；可以认为PicoBlaze几乎不占资源，而且一个设计中可以包括多个PicoBlaze。PicoBlaze适用于复杂的但对时间要求不太高的系统中，并可以简华设计。
图1 PicoBlaze处理器的IP Core应用框架
2 PicoBlaze原理与结构分析

PicoBlaze 8位微处理器内部结构如图2所示。

PicoBlaze处理器IP Core由全局寄存器、计算逻辑单元（ALU）、程序流控制标志和复位逻辑、输入/输出（I/O）、中断控制器等几大部分构成。

全局寄存器：16个8位全局寄存器，s0～sf。寄存器的操作是非常灵活的；没有为特殊任务保留寄存器，任何寄存器的优先权都是一样的。

算术逻辑单元（ALU）：提供了8位处理器需要的所有简单操作。执行所有的操作都是用任意一个寄存器提供的操作数完成。若操作需两个操作数，则有另一寄存器指定或在指令中嵌入一8位常量值。在不增加程序大小的前提下，指不定期任意常量值，增强了简单的指令特性。更明白地说，ADD1与INCREMENT指令是等价的。若操作超过8位，则有一选项（增加或减少）可供选择。二进制操作码（LOAD、AND、OR、XOR）可操作和测试二进制数，还包括SHIFT和ROTATE指令集合。

程序流控制标志：ALU操作后的结果影响ZERO和CARRY两个标记。用有条件的或无条件的程序流控制指令决定程序执行的顺序。JUMP指令指定在程序空间内的绝对地址。CALL指令将程序定位到用一段代码写的子程序的绝对地址，同时将返回地址压栈。嵌套CALL指令使用的栈为15层，对于程序大小足够了。

复位逻辑：复位信号强迫程序回到初始状态，即程序从地址00开始执行，中断被屏蔽，状态标记和堆栈也同时复位，但寄存器中内容不受影响。
图2 PicoBlaze处理器内部结构
    输入/输出（I/O）：PicoBlaze提供256个输入端口和256个输出端口。由端口总线提供一个8位地址值与一个READ或WRITE选通脉冲信号，一起指定访问端口。这个端口地址值或为一确定值或由任意一寄存器中内容指定。当访问一由分布式或块状RAM组成的内存时，最好用直接寻址。当进行输入操作时，输入端口上的值被输出一个READ_STROBE输出脉冲时，即表示进行了一次输入操作。

中断控制器：PicoBlaze提供一中断输入信号。只要用一些简单的组合逻辑，多个信号就可进行组合并被应用于这一中断。程序中可定义此中断是否被屏蔽，默认值是中断被屏蔽。一被激活的中断信号使程序执行"CALL FF"指令（FF即256，程序存储器的最后一个位置），然后设计者为此定义的放在此处的一段程序被执行。一般在此地址放一JUMP指令，跳转到中断服务程序。中断进程屏蔽其它中断，RETURNI指令保证在中断程序结束后，标记和控制指令回到原先的状态。
表1 PicoBlaze处理器指令集