基于VLSI 平台的AVR 处理器仿真与设计

了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O之间的联系方式，并且最终决定了FPGA所实现的功能。由于FPGA采用查找表结构，而查找表本质是一个小RAM,所以FPGA内部信息掉电消失，上电需要重新进行配置。FPGA支持多次重复编程。相对于其他的可编程器件，FPGA是ASIC电路中设计风险最孝开发费用最低、周期最短的器件之一。采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。同时FPGA 的内部逻辑和I/O 资源非常丰富，可以说用FPGA芯片进行小批量生产，对于提高系统集成度、可靠性是很有帮助的。

　　在众多PLD厂家中，XILINX公司的产品种类丰富，其开发工具ISE为业界公认的最好的开发工具之一，且其芯片的性价比很高。所以，这里主要使用XILINX公司的产品。XILINX 公司主要FPGA 产品为SPARTAN系列和VIRTEX系列。前者面向低成本应用，满足一般的逻辑设计要求，后者面向高性能应用，满足高端要求。文中选择Virtex-Ⅱ Pro 系列芯片作为开发平台。

　　这款芯片含有可编程输入/输出块、可配置逻辑块、嵌入式RAM块、数字时钟管理模块、专用硬核以及丰富的布线资源。FPGA的设计过程是利用EDA工具将设计输入转化为FPGA芯片可运行的过程，开发的一般流程见图2.

　　3 Virtual AVR 实现

　　通过对FPGA和MCU的深入了解，可知使用FPGA的丰富资源来虚拟出MCU是完全可行的。首先，需设计一个总体结构，如图3所示。ROM用于存放被执行程序及二进制代码，RAM 为运行内存，用总线将VirtualMCU Core与各外设相连。使用该结构可简化设计，无需对外设重复设计，只要使Virtual MCU Core满足同一接口即可。

　　Virtual MCU Core由几部分构成：算术逻辑单元，运算的主要单元；译码器，由二进制文件判断指令类型并获得源操作数和目的操作数等；寄存器，用于参加运算和存储某些中间值等。

　　Virtual AVR Core 以ATmega103处理器为参考，核心采用RISC结构，3级流水线结构，因为是哈佛结构，所以分为数据存储器和指令存储器。它的处理器核心如图4所示。同时ATmega103共有130条指令，每条指令都是固定结构，为16 位。在该设计中，移植了Open-Cores开源组织的8位AVR核，它支持3级流水线，兼容标准AVR微处理器。

　　ALU的实现采用模块化设计，共分为控制模块、加减法模块和乘除法模块。3级流水线设计如下：

　　stage0:FETCH,给出指令地址，并读取相应的指令，主要由译码机构负责；stage1:ALU/MEM,ALU运算，或数据存储器操作，读数据存储器时，在地址总线上给出正确的值，当写数据存储器时，不仅需要提供正确的地址，还需要在数据总线上提供正确的数据，主要由运算机构和总线控制机构负责。

　　Stage2:LOAD,从数据线上获取数据，存至寄存器中，主要由寄存器机构负责。

　　在一个系统中光有处理器是不够的，需要有丰富的外设来满足各种控制要求或数据传输功能，而片内总线便是将处理器与总线连接的重要途径。文中采用Sili-core的Wishbone总线进行设计，具有简单、开放、高效和方便实现等特点，且完全开放并没有专利保护。Wish-bone有四种连接模式：点对点、数据流、共享总线和十字交叉互联。文中使用共享总线连接方式，其中充当Master为Virtual Core,而外设为Slaver.

　　为使Virtual Core能与外部器件进行通信，需要外设的支持。外设按数据流类型分为串行和并行，常用的串行外设有SPI、I2C、UART 等，常用的并行外设有GPIO等。

　　4 硬件支持与测试

　　硬件环境主要分为两部分：第一部分为核心板，用以支持Virtex-Ⅱ Pro的运行；第二部分为底板，主要为添加外设环境，丰富系统的功能。选用XC2VP50FFG1152芯片作为核心的FPGA,在外围又添加了DDR和SDRAM,方便自由选择存储器类型。FP-GA掉电后，内容自动消失，每上电需要重新配置，为让FPGA 上电后自动配置，需加一片PROM,使用XCF32P.FPGA采用并行主模式。底板上则是增加大量外设：UART、PS2、VGA、ETHERNET、VIDEO、A/D、D/A、SD、USB等。

Virtual Core执行的程序都是固化在ROM中，为达到测试要求，要多次更新ROM中内容，为此使用嵌入式开发套件（Embedded Development Kit,EDK）来开发一个测试工具。首先将BRAM配置为双端口RAM,一端口给Virtual Core来进行读取操作，一端口给EDK,来更新程序存储器。同时EDK也可提供简单的控制任务，如重启Virtual Core 等，EDK 使用UART 和计算机进行操作。为方便控制，设计一个较为简单的PC端串口程序，用于将EDK与PC交互，主要是将用户的命令或文件经串口发送至EDK,如图5所示。搭建一个简易测试系统，使用ISE工具，进行综合布局布线，其资源消耗如图6所示。编写一个跑马灯