基于8086 CPU 的单芯片计算机系统的设计

严格，这就要求有一个专门的控制器：控制SDRAM 的初始化，刷新和预冲以及基本的读写操作。同时，需要匹配SDRAM控制器和8086 CPU 的读写时序。该接口具体实现的状态机如图6 所示。

T1：当RDY 为高电平时，首先确定是进行读还是写操作，这时DONE 为0：读：设置WR=0，RD=1； 写：设置WR=1，RD=0。

T2：当DONE 信号为高电平，表示可以进行读/写操作，跳转到T3。

T3：CPU 通过SDRAM 控制器对SDRAM 进行读写操作。

T4：当低字节有效信号bwl_n 为高电平时，执行低字节传输。

T5：当高字节有效信号bwh_n 为高电平时，执行高字节传输。

T6：CPU 完成读写操作，相关控制信号清零。

其中，DONE 信号用于指示是否读写完成，只有DONE 为高电平时表示读写完成，才能进行下次读写操作。RDY 信号表示SDRAM 是否做好准备接受CPU 的访问,由SDRAM的写请求信号（IN_REQ =1）和读有效信号（OUT_VALID =1 ）共同控制，其产生过程伪码如表5 所示。

根据单芯片计算机系统级设计的组成结构，调用已经编写完成的8086 IP 软核、8255 IP软核、SDRAM 控制器、SDRAM 模型IS42S16400、AHB 总线 IP 软核以及译码器IP 软核。

连接相应的输入输出端口，同时对8086 相关的输入端口进行赋值，将未使用的输出端口悬空，完成单芯片计算机系统的RTL 级设计。

4 单芯片计算机系统的仿真与验证

单芯片计算机的RTL 级设计只是全部设计流程的一部分，为保证最终设计的成功，必须对其进行全面的软件仿真与硬件验证，包括搭建测试平台，设计测试方案以及分析仿真结果，实现FPGA 验证。

4.1 测试方案的设计

在包含8255 应用电路的单芯片计算机系统搭建完成的基础上，要求实现八个开关量控制八个LED 灯亮灭的功能。将八个开关量连接8255 的PA0～PA7；将八个LED 灯驱动电路连接8255 的PC0～PC7。在8086 CPU 的控制下，通过总线读取连接在8255 PA 口的八个开关量，将开关值送往SDRAM 存储，再从SDRAM 读取开关量发送到8255 PC 口，使其驱动八个LED 灯的亮或灭。

4.2 仿真结果分析

单芯片计算机最小集的RTL 级仿真波形，如图7 所示。在8086 CPU 的控制下，8255接口读取连接在8255 PA 口的八个开关量11000010 以后，将其发送到8255 的PC 口，驱动输出逻辑值11000010。

使用Quartus II 软件成功编译设计，将布局布线生成的结果下载到FPGA 中，得到与设计等效的实际电路，对实际的电路用测试系统进行测试，从而验证设计的正确性。将FPGA的验证结果经逻辑分析仪读取显示，如图8 所示。

5 结束语

本论文在基于集成电路设计方法学的指导下，探讨了一种基于8086 CPU 核的单芯片计算机平台的架构，研究了其与AMBA 总线、SDRAM、8255 等外围IP 的集成。在此基础上，设计基于8086 IP 软核的单芯片计算机系统，并实现了FPGA 功能演示。在后续的工作中，将考虑进一步扩展CPU 外围接口IP 软核；集成DMA 控制器，实现VGA 显示功能；将DOS 操作系统加入8086 单芯片计算机平台，并开发在操作系统下的设备驱动程序和应用软件。