FPGA的八位RISC CPU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（System on a Chip）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ASIC，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CPU IP核对我国在电子技术方面跟上世界先进的步伐，提高信息产业在世界上的核心竟争力有重大意义。  

精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）是针对复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）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。  

2 CPU IP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、RISC CPU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。  

时钟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clk1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load_ir信号负责判别。load_ir信号通过使能信号ena口线输入到指令寄存器。复位后，指令寄存器被清为零。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load_acc 信号后，在clk1时钟正跳沿时就接收来自数据总线的数据。
  
图1 CPU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号控制决定。控制信号datactl_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/端口地址。每个指令周期的前4个时钟周期用于从ROM中读取指令，输出的应是PC地址，后4个时钟周期用于对RAM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RST，当RST有效时，能通过信号ena使其为0 ，输入到状态机中以停止状态机的工作。状态机是CPU 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  

RISC CPU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，RISC CPU就会结束现行操作，并且只要rst停留在高电平状态，CPU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RISC CPU开始工作，从ROM的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"6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ModelSim SE6.0进行波形仿真的结果。