基于FPGA和VHDL的简易微机的结构分析与应用
通常，人们对微型计算机的工作原理及硬件结构的了解来源于书本知识，深入理解掌握其功能特点比较困难，要自己亲手去做一个类似功能的微型计算机更是不可能。随着可编程逻辑器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性，用户可以利用fpga（现场可编程门阵列）来开发出一个精简指令的cpu，同时对微型计算机的原理及结构进行充分研究，便于将来进行相关asic（专用集成电路）设计，也可用于计算机原理教学之中。
1 微型计算机结构及原理
以一个简化的微型计算机为例，微型计算机的简化结构。
1.1 微型计算机结构
微型计算机由pc（程序计数器）、ir（指令寄存器）、con（控制部件）、mar（存储地址寄存器）、rom（只读存储器）、a（累加器）、alu（算术逻辑部件）、b（寄存器）、outreg（输出寄存器）、dleddis（数码管动态扫描模块）及decl7s（显示模块）等组成。这里仅介绍有所改变或不同的模块，其余可见文献。
l为数据载入控制信号，e为三态输出选通信号，clk为时钟信号，clr为清零信号，cp为控制pc加1信号，s0-s3为控制alu进行加减或逻辑运算的选择信号。所有的控制、时钟及清零信号由con模块给出，而con模块由外部时钟clkin及清零信号rst控制。pc可以置数，即可执行跳转指令。outreg可清零，便于多次调试。dleddis及decl7s用来把地址及结果在数码管上显示出来。
1.2 微型计算机原理
虽然这台微型机可以实现16条指令，但本文对指令不做扩展，仅以5条指令为例。lda为将数据装入累加器a（操作码0000）；add为进行加法运算（操作码0001）；sub为进行减法运算（操作码0010）；out为输出结果（操作码1110）；hlt为停机（操作码1111）。
在程序和数据装入后，当外部给出时钟信号及清零信号无效时，由con模块发出信号及控制字，开始取出和执行每条指令。如控制字顺序为erlrs3s2s1soeulm lbealaei licpeplp，这里lr可用于存储器为ram时做写使能信号。由于采用的是数据总线与地址总线合一的总线结构，一条指令的执行需要6个机器节拍，即前3节拍取指周期与后3节拍执行周期。如执行add 0ah，机器码为1ah（0001 1001）。第1节拍将pc内容送入mar，控制字为“0000 0001 00000010”，即ep与lm为1;第2节拍将rom中对应地址单元中的内容送到ir，ir高4位送至con，控制字为“1000 0000 0000 1000”，即er与li为1;第3节拍使pc加1，控制字中cp为1，其余为0;第4节拍将ir的低4位送至mar，ei与lm为1;第5节拍将rom中的内容送入累加器a中，er与la为1;第6节拍为加法运算，eu与la为1，同时s0-s3选择为加法运算。
2 fpga实现
2.1 总线方式
总线方式是指严格按图1用fpga实现相应结构的微型机。本实验采用上海航虹公司的aedk实验箱，fpga芯片为altera公司的epf10k20tc144-4，软件采用quartusii4.0、max+plusii10.0及synplifypr07.5，程序设计采用vhdl语言。
共有11个子模块，最后用元件例化语句构成总模块。以设计程序计数器模块c-pc及控制模块c_con为例简单做一介绍。
当三态输出信号es选通时，即es=“1”，pc可输出，否则输出为高阻态。数据或地址与总线相关的子模块都需采用三态门。由于采用了三态门，最好用quartusⅱ软件来进行编译，max+plusⅱ有时不一定可以通过。
用synplify pro7.5对c_pc模块进行rtl（寄存器传输级）原理图观察，如图2所示。其综合电路与一个4位二进制计数器类似，只是多了一个三态门。用synplify pro7.5不仅可以观察rtl电路，还可以观察门级电路结，深入了解其内部结构。
c_con模块是最关键的模块，因为所有的控制信号都由它发出。由于指令执行需6个机器节拍，每个节拍对应相应功能，采用状态机是实现此高效率、高可靠逻辑控制的重要途径。如以下程序所示，每个状态对应着不同的控制字，共有6个状态。
只读存储器模块可使用lpm_rom的lpm_file文件，便于调试不同的程序。
2.2 多路选择器方式
多路选择器方式是对总线方式的一种改进，可以实现地址总线与数据总线分离，一条指令的执行只需4个机器节拍，极大地提高了运行速度。对图1进行略微改变，如图3所示。其中程序计数器模块duolu_pc及指令寄存器模块duolu_ir不再有三态门，对其控制也相应简化。增加了2个二选一多路选择器。下面介绍其工作原理。
状态s0（第1节拍）时，首先判断有没有加减法指令，若有则发出控制信号，pc值同时送入mar.如控制字顺序为erlrs3s2 s1s0eulm lbealaei licpeplp，有加法时，其控制字为“0000 1011 0010 0010”，当s3s2s1s0为“0001”时做加法运算；没有加减法时则控制字为“0000 0001 0000 0010”。状态s1时，pc值加1，将存储器单元中的内容读人到ir，其控制字为“1000 0000 0000 1100”，注意当给程序计数器置数时，lp才为l，多路选择器选通由ir米置数。状态s2和s3与总线方式的第4和第5节拍类似。整个周期可简化为判断与置地址、读数、判断与置地址、读数4个步骤。
这里的多路选择器方式仅仅是略微改变，不是指全部，只是提出一种方法。
2.3 功能描述方式
功能描述方式是指充分利用vhdl语言的行为描述能力，从功能描述的角度来实现简易微型计算机。除了调用rom模块及outreg、dleddis、decl7s外，其余子模块被包含在一个整体c_sim_cpu模块内，每一个状态实现一定的功能。同样，c_sim_cpu模块只需4个状态即可实现相应功能。部分程序如以下所示，不再采用控制字的方式。
c_sim_cpu模块由于强调实现功能，其语句不同用户有着不同写法，不同的综合软件也会生成不同的结构，因而这里不再展开讨论。
2.4 3种方式比较
用quartusⅱ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式分别进行编程下载，都可以实现一些简单的计算程序，在数码管上显示出地址及相应结果。如果采用1 hz的clkin频率，动态扫描频率单独用1 khz时，可以清楚地看到每一过程。
quartusⅱ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式编译，其le（逻辑单元）分别为：232、206、143.功能描述方式资源利用最优，但结构复杂。多路选择器方式优于总线方式，不仅是在资源利用上，还是在执行速度上。当然，总线方式对于模块的扩展方面要强于多路选择器方式。
如果想更深入了解其内部结构，可以使用synplifypro软件观察这3种方式的rtl电路及门级电路。用synplify pro软件进行综合，显示所需的le比quartusⅱ4.0更少。
3 结束语
微型计算机的原理及结构一般不易理解掌握，利用fpga来学习并构建一个简易微型计算机无疑是一个好方法，对eda的软硬件学习也是一个不错的选择，可为将来进行相关asic没计打下良好的基础。
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1 微型计算机结构及原理
以一个简化的微型计算机为例，微型计算机的简化结构。
1.1 微型计算机结构
微型计算机由pc（程序计数器）、ir（指令寄存器）、con（控制部件）、mar（存储地址寄存器）、rom（只读存储器）、a（累加器）、alu（算术逻辑部件）、b（寄存器）、outreg（输出寄存器）、dleddis（数码管动态扫描模块）及decl7s（显示模块）等组成。这里仅介绍有所改变或不同的模块，其余可见文献。
l为数据载入控制信号，e为三态输出选通信号，clk为时钟信号，clr为清零信号，cp为控制pc加1信号，s0-s3为控制alu进行加减或逻辑运算的选择信号。所有的控制、时钟及清零信号由con模块给出，而con模块由外部时钟clkin及清零信号rst控制。pc可以置数，即可执行跳转指令。outreg可清零，便于多次调试。dleddis及decl7s用来把地址及结果在数码管上显示出来。
1.2 微型计算机原理
虽然这台微型机可以实现16条指令，但本文对指令不做扩展，仅以5条指令为例。lda为将数据装入累加器a（操作码0000）；add为进行加法运算（操作码0001）；sub为进行减法运算（操作码0010）；out为输出结果（操作码1110）；hlt为停机（操作码1111）。
在程序和数据装入后，当外部给出时钟信号及清零信号无效时，由con模块发出信号及控制字，开始取出和执行每条指令。如控制字顺序为erlrs3s2s1soeulm lbealaei licpeplp，这里lr可用于存储器为ram时做写使能信号。由于采用的是数据总线与地址总线合一的总线结构，一条指令的执行需要6个机器节拍，即前3节拍取指周期与后3节拍执行周期。如执行add 0ah，机器码为1ah（0001 1001）。第1节拍将pc内容送入mar，控制字为“0000 0001 00000010”，即ep与lm为1;第2节拍将rom中对应地址单元中的内容送到ir，ir高4位送至con，控制字为“1000 0000 0000 1000”，即er与li为1;第3节拍使pc加1，控制字中cp为1，其余为0;第4节拍将ir的低4位送至mar，ei与lm为1;第5节拍将rom中的内容送入累加器a中，er与la为1;第6节拍为加法运算，eu与la为1，同时s0-s3选择为加法运算。
2 fpga实现
2.1 总线方式
总线方式是指严格按图1用fpga实现相应结构的微型机。本实验采用上海航虹公司的aedk实验箱，fpga芯片为altera公司的epf10k20tc144-4，软件采用quartusii4.0、max+plusii10.0及synplifypr07.5，程序设计采用vhdl语言。
共有11个子模块，最后用元件例化语句构成总模块。以设计程序计数器模块c-pc及控制模块c_con为例简单做一介绍。
当三态输出信号es选通时，即es=“1”，pc可输出，否则输出为高阻态。数据或地址与总线相关的子模块都需采用三态门。由于采用了三态门，最好用quartusⅱ软件来进行编译，max+plusⅱ有时不一定可以通过。
用synplify pro7.5对c_pc模块进行rtl（寄存器传输级）原理图观察，如图2所示。其综合电路与一个4位二进制计数器类似，只是多了一个三态门。用synplify pro7.5不仅可以观察rtl电路，还可以观察门级电路结，深入了解其内部结构。
c_con模块是最关键的模块，因为所有的控制信号都由它发出。由于指令执行需6个机器节拍，每个节拍对应相应功能，采用状态机是实现此高效率、高可靠逻辑控制的重要途径。如以下程序所示，每个状态对应着不同的控制字，共有6个状态。
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这里的多路选择器方式仅仅是略微改变，不是指全部，只是提出一种方法。
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c_sim_cpu模块由于强调实现功能，其语句不同用户有着不同写法，不同的综合软件也会生成不同的结构，因而这里不再展开讨论。
2.4 3种方式比较
用quartusⅱ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式分别进行编程下载，都可以实现一些简单的计算程序，在数码管上显示出地址及相应结果。如果采用1 hz的clkin频率，动态扫描频率单独用1 khz时，可以清楚地看到每一过程。
quartusⅱ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式编译，其le（逻辑单元）分别为：232、206、143.功能描述方式资源利用最优，但结构复杂。多路选择器方式优于总线方式，不仅是在资源利用上，还是在执行速度上。当然，总线方式对于模块的扩展方面要强于多路选择器方式。
如果想更深入了解其内部结构，可以使用synplifypro软件观察这3种方式的rtl电路及门级电路。用synplify pro软件进行综合，显示所需的le比quartusⅱ4.0更少。
3 结束语
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