現場可編程門陣列FPGA 門數眾多，人們可以將合適的IP軟核或其他形式的核作為嵌入式模塊裝在自己的設計中。但通常IP軟核需要門數較多的FPGA 器件支持，作為學習來說的FPGA 芯片往往資源有限，需要節約FPGA 的成本與面積; 并且沒必要實現所有功能， 只要做出關鍵部分及重要結構，明白其運行機理，又能與真實的CPU 緊密相聯即可。實驗箱上采用的FPGA 芯片為Altera 公司的EPF10K20TC144- 4。這里以Inte l的8085A 為例來說明8位計算機的工作原理。

　　2 8085A CPU 設計及實現

　　2. 1 FPGA 芯片及外圍電路簡介

　　Altera的FLEX10K 器件是工業界首例嵌入式PLD， 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20帶有144個LAB (邏輯陣列塊) 和1152 個邏輯單元， 最大I/O數目為189。另外， 芯片中嵌入式陳列塊( EAB)有6個， 其RAM 總位數為12288。

　　實驗涉及到FPGA 芯片的外圍部分包括控制開關、2* 8鍵盤輸入、6個數碼管輸出、8個輸入端口、8個輸出端口及2個中斷開關等。主要用來增添程序設計的靈活性及形象性， 使其可現場調試， 驗證結果， 避免單純用軟件仿真的不足。外圍電路控制模塊及結構可參見文獻[ 1] 。

　　現場調試時可以通過控制開關， 手動從鍵盤輸入相應的地址及數據(通過數碼管顯示)， 輸錯可以修改; 用寫使能開關給RAM 寫入相應程序。當輸入完所有程序后， 按下運行開關即可執行程序， 在數碼管上顯示地址、數據及最終結果。控制開關用于配合鍵盤通過手動方式輸入程序， 可以形象化的現場編程。在軟件下載后不使用計算機， 通過按鈕、鍵盤就能將程序輸入到RAM 中， 然后運行， 顯示出結果。

　　2. 2 CPU模塊

　　2. 2. 1 內部結構

　　CPU 模塊的內部結構如圖1所示。微型計算機由下面幾個部分組成: 8位通用寄存器H、L， 16位程序計數器( PC ) ， 16位堆棧指示器( SP)， 一個加1 /減1 地址鎖存器( ADD /ADR )， 8 位NL 寄存器( NL) ， 8位中斷時間寄存器( T IMER ) ; 算術邏輯單元(ALU )， 累加器(A )， 標志寄存器( FR )， 數據選擇器( SEL) ; 指令寄存器( IR) ， 控制器( CON ) ， 4選1多路選擇器(MUX) ， 存儲地址寄存器(MAR ) ， 8 位數據寄存器(MDR) ; 輸入數據寄存器( INDT )， 輸出數據寄存器( OUTDT )等部分組成。其中標志寄存器有4位， 分別是: 進位位( Cy)、零位( Z)、符號位( S)、奇偶位( P) ， 微機通過檢測這些標志位的1位或多位來判斷程序是否需要轉移。

　　微型計算機CPU 結構圖

　　圖1 微型計算機CPU 結構圖

　　圖中字母L為數據載入控制信號， E 為三態輸出選通信號， clk為時鐘信號， c lr為清零信號， W 為數據載入PC信號， Cpc為控制PC 加1信號， S3- S0為控制ALU 進行加減、邏輯運算或移位運算的選擇信號， Iadr、Dadr為加1 /減1地址鎖存器加1減1控制信號， Isp、DSP為堆棧指示器的加1減1 控制信號， E ram、W ram 為讀寫RAM 控制信號。另外， 累加器(A ) ， 標志寄存器( FR )增加了專用的清零信號。

　　所有的控制、時鐘及清零信號由控制器( CON)模塊給出， 而CON 模塊由外部時鐘clkin、清零信號rst及使能信號enable 控制。存儲地址寄存器(MAR )用來給RAM輸送地址， 從RAM 讀指令和數據， 也可以給RAM寫數據。Altera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6個嵌入式陳列塊， 其RAM 總位數為12288。這里RAM 可配置為1024 * 8( 1024個地址， 8位數據) ，直接調用參數可設置模塊庫中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件， 用文本編輯器編輯m if文件來初始化數據。如果不用FPGA 的內部RAM， 可外接64K的8位RAM， 即尋址空間為64K。

　　2. 2. 2 指令系統

　　內部工作原理和指令系統緊密相聯。本微機共有54條指令， 可分為8類， 即數據傳送指令、算術與邏輯運算指令、移位指令、增量與減量指令、堆棧操作及中斷指令、轉移指令、子程序調用及返回指令、其它指令等。指令系統與8080 /8085的指令系統表基本一致， 標志位的變化(無輔助進位位) 與其相同， 可參見文獻。

　　由于資源所限， 沒有使用8085A 所有的寄存器及某些功能， 如B、C、D、E 寄存器等， 但是這并不妨礙本微機能夠實現其絕大多數功能。從時鐘周期數(狀態數)來說， 比8085A 更少， 也就是說速度更快。

　　數據傳送指令有14條(一個n表示一個8位二進制數據): 3個狀態數的movah (將H 的內容存入A )、movha、mov la(將A 的內容存入L)、mova;l 4狀態的mvian(將數據n存入A)、mv ihn、mv iln、mvitn(將數據n 存入t ime寄存器， 此指令為新增) ; 5 狀態的movma(將A 的內容裝入HL所指的地址)、movam; 4狀態數的sphl(將HL寄存器的內容裝入SP); 6狀態的inn( n所指地址的內容給A )、outn; 4狀態的cd _out(A內容給PC+ 1， 停機， 此指令為新增)等。

　　算術與邏輯運算指令有13 條: 3 狀態的cmc( Cy符號取反)、stc( Cy置1) 、cma(寄存器A 內容取反); 4狀態的addh(將A 與H 相加后給A )、adin(將A 與n相加后給A)、subh、su in、cmph(將A 與H相比較(只影響符號) )、ADCh(將A 與H 及符號Cy相加后給A )、sbbh、anah(將A 與H 寄存器的內容相與后給A )、orah、xrah(將A 與H 異或后給A )等。

    移位指令有4條， 同8085A。增量與減量指令有4條， 只針對H、L寄存器。堆棧操作及中斷指令有8條: 7 狀態的pushh( HL 壓入堆棧)、pushp( AF壓入堆棧); 6狀態的poph、popp; 8狀態的rsta(重新啟動); 3狀態的etim e( T 寄存器使能， 此指令為新增)、eint(中斷使能)、d int等。轉移指令有5條: 7狀態的jmpn(無條件轉移至程序nn， 低位在前); 不跳轉時5狀態， 跳轉時7狀態的jnn( Z= 1時轉移至程序nn)、jcn、jmn、jpen等。子程序調用及返回指令有2條: 11狀態的calln (保留當前PC， 轉移至程序nn， 低位在前)、7狀態的ret(返回)。其它指令有4條: 3狀態的nop、c lRF(標志寄存器清零， 此指令為新增)、clrA (A 清零， 此指令為新增)、hlt等。

　　狀態數的計算， 若本次指令的前面一指令為3狀態數時， 本指令將會減少1 狀態。如: movha，adin; 若第1指令movha前沒有其它3 狀態指令時，它是3個狀態， 而adin會減少1狀態， 由原來的4狀態變為3狀態。再如: mov la， movha; 則后一狀態由3狀態變成2狀態。其余類似(但不包括rsta)。

　　2. 2. 3 工作原理

　　由圖1可知， 不同的子模塊一共有20個， 每個模塊用VHDL程序來實現， 最后用元件例化語句構成總模塊。下面以設計算術邏輯部件模塊c_alu及控制模塊c_con為例簡要介紹一下思路。

　　( 1)算術邏輯部件c_alu。

　　算術邏輯部件c_a lu非常占用FPGA的邏輯單元log ic cells， 需要盡量優化。S3- S0為控制ALU 進行加減、邏輯或移位運算的選擇信號， 一共可得到16種運算， 這里用了13種: 6種算術、3種邏輯運算和4種移位指令。如加法、減法、加1、減1、帶符號位加法、帶符號位減法; A 或B、A 與B、A 異或B; A 左移、A右移、A 帶Cy 左移、A 帶Cy右移等。另外， ALU 的運算直接影響到符號位的變化， 運算結果存入標志寄存器( FR)。有關alu的運算多為4個狀態。

　　( 2)控制模塊c_con。

　　占用FPGA 的邏輯單元log ic ce lls最多的是控制模塊c_con。在參考文獻[ 3] 中的思路不再適合于稍大型的CPU 設計， 但它是理解如何控制CPU 信號的一個起點。對于一條指令應該細化到每一個步驟及每一位， 而不再是以一個控制字的方式去實現。以指令movah為例， 首先把PC 值送入MAR 寄存器， 此為狀態s0， 這時起作用的是Lmar; 然后在狀態s1時， PC值加1， 將存儲器單元中的內容讀入到IR， 這時Cpc、E ram、Lir起作用， Lmar不再起作用， 需要置0; 接著在狀態s2時， 對IR 寄存器中的指令進行譯碼， 所有的操作指令都是在此狀態譯碼(不包括rsta)。對于3狀態指令， 不保存指令， 直接執行， 然后跳轉到狀態s1。因此對于下一條指令來說， 其狀態數減1。

　　指令中狀態數最多的是子程序調用ca lln指令。

　　C alln指令要保存PC 值到SP- 1及SP- 2中， 然后跳轉到子程序。考慮到返回指令ret執行后， PC 要重新在原位置執行， 那么存入SP中的PC 值應該是在得到其指令后加3。對PC 進行單獨加3是一種思路， 但需要另外耗費資源， 并且增加狀態。這里采用了先把ca lln后的nn存入16位的加1 /減1 地址鎖存器， 然后保存PC 到SP， 再將nn 賦值給PC， 跳轉到子程序的方法。返回指令ret不僅可以用作子程序調用后的返回， 還可用于中斷的返回。

　　2. 3.. FPGA 實現及編程思路

　　由于使用內部RAM， 其地址空間為0000 -03FFH。通常在00H 中放入28 (即jmpn， 跳轉指令) ， 將程序跳轉到從40H 開始。把03- 0EH 作為放常用變量的空間， 用inn及outn指令來調用， 以解決寄存器不足的缺陷。這也是一種編程思路， 可參見文獻[ 4] 。0FH、1FH、2FH 分別為外部中斷0( int0) ， 外部中斷1( int1)， 定時器中斷( time) 的起始位置。Int0優先級最高， int1次之， time最低。中斷信號高電平有效。中斷功能的實現是為了學習其工作原理， 只做了一個定時器中斷。計時為減1方式， 當計時為0時， 發出中斷信號。T ime中斷的使用方法: 首先關中斷( dint)， 給T賦值(mv itn) ， 再開中斷( e int)， T寄存器使能( et ime)。此后， T 寄存器正常工作。若要再次使用， 首先給T 賦值， 然后T寄存器使能。

　　初始時的PC 為0000H， SP為03FFH。SP的更改可通過指令sph l來執行。針對實驗箱， 將8000-0FFFFH 作為輸出口地址， 4000 - 7FFFH 作為輸入口地址。而實際實驗箱上只定義了1個8位輸入， 1個8位輸出。IO 口的操作可通過movam 及movma指令去實現。

　　由于鍵盤輸入時， 要進行去抖動處理， 使用了兩種不同的時鐘頻率。鍵盤處理采用1KH z的頻率，而CPU 的工作時鐘可選擇實驗箱上的不同頻率， 從1H z到10MH z皆可， 甚至可以外接其它更高頻率。

　　如果采用1H z的clk in 頻率， 可以清楚地看到CPU工作的每一過程。

　　將本微機下載到實驗箱上， 已成功實現了乘法(用減1或右移的方法)， 調用子程序， IO 口的使用，中斷的使用等多項實驗， 驗證了CPU 設計的正確性。

　　3 結束語

　　QuartusII對微機進行編譯， 其邏輯單元LE 用到1151， 占100% 。用FPGA 來實現CPU 的功能， 研究其工作原理， 然后用Synplify pro軟件對其進行門級研究， 對CPU 的面紗將不再感到神秘， 有利于做成專用集成電路ASIC， 控制其規模， 節約芯片成本與面積。同時， 也會增加對FPGA 的學習興趣和使用技巧， 開發出更多新的產品。