基于嵌入式計算機原理仿真系統設計

劉明江

摘要：基于嵌入式計算機組成原理仿真實驗系統是一套非常優秀的系統。它可以用軟件開發設計自己的8位模型機，可以直觀的觀察數據的流動和存儲過程，可以通過接口擴展來進行計算機接口的各種試驗，可以模擬多種8位CPU的運行（如INTEL86系列、RISC及C51系列等），可以脫離硬件用軟件模擬仿真全部的硬件實現等等。本論文從不同方面闡述基于嵌入式計算機原理仿真系統設計，希望為研究計算機原理仿真系統的專家和學者提供理論參考依據。

關鍵詞：嵌入式技術；計算機原理；仿真系統設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0146-01

基于嵌入式計算機組成原理仿真實驗系統，將會成為計算機應用教學中的重要工具。它是一套既能實現組成基本計算機模型，又能夠靈活的組成各種結構的計算機處理模型的實驗系統。它還可以模擬幾種典型的單片機以及8088等CPU的運行模式及指令系統，從而進行接口實驗，仿真實驗，和CPU的結構，微程序設計，滿足教學實驗和科研開發的仿真過程。

1 實驗系統設計思想

一個完善的組成原理實驗系統，還要有一個強大的軟件開發平臺。這個軟件可以用來指定所用的指令集或者設計自己的指令集。編譯用戶輸入的源程序。還要對實驗進行軟件的模擬仿真，使其脫離實驗硬件也可以獨立運行。同時，可以通過軟件來對實驗的硬件平臺進行控制，實現數據的下載，程序的裝入等等。還有就是要有一個強大的幫助系統。這是必不可少的，所以設計時也要考慮到軟件功能的獨立性和其的強大功能[1]。

2 采用獨立功能模塊的全硬件的設計方案

2.1 獨立功能模塊的設計思想及模塊化分

模塊化是按照功能將一個軟件或硬件切分成許多部分單獨開發，然后再組裝起來，每一個部分即為模塊。其中每個部分都有自己的功能，不依賴于其它部分，也就是說沒一部分在功能上是獨立的。同時，每個部分的結構是彼此獨立的，每個部分都有其自己的結構。其優點是利于控制質量、利于多人合作、利于擴充功能，利于項目的管理、利于降低設計度、有利于加快設計速度因為多個模塊可以同時進行、有利于模塊的復用等等[2]。

2.2 微處理器

控制器有微程序控制器和硬布線控制器兩種。硬布線控制的特點是：組合邏輯電路由門電路組成，處理速度快，當指令數量多時，設計難度大。但它的靈活性小不適合本次設計的要求。微程序控制器用規整的存儲結構，代替了不規整的、復雜的硬聯邏輯，結構簡單。更重要的是利于擴展，靈活、通用性強。在數據結構通路不變的前提下，可以通過修改微程序來改變指令的執行方式，同時增加新的微程序來增加新指令，甚至可以用更換一套微程序的方法來更換指令系統。這正是實驗系統所需要的。下面闡述微程序的原理、設計步驟、和作者的設計方案[3]。

微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把所有的控制命令信號匯集在一起編碼成所謂的微指令，再由微指令組成微程序，存放在一個EPROM里。系統運行時，一條又一條地讀出這些微指令，產生執行部件所需要的各種控制信號，從而驅動執行部件進行所規定的操作。這里將存儲邏輯和程序技術引入到CPU中。這里微指令是構成控制信號序列的最小單位，也稱微信號，通常指那些直接作用于部件或控制門電路的命令。而執行部件接受微命令所執行的操作叫做微操作[4]。

2.3 算術邏輯運算單元（ALU）

ALU根據其功能可以劃分為多個檔次。普通的只能實現基本的算數邏輯運算工能，符點及乘除等運算通過軟件來完成。這樣的ALU設計簡單但運行速度慢。高檔的可以支持算數邏輯運算外還可以支持符點向量及標量等運算。這些運算通過硬件來實現。設計復雜但有很高的效率。輸入輸出都是8位。其中操作碼、輸入A、輸入B合進位C加在一起共23位一起作為ALU ROM的輸入地址線。當給定一組操作碼、輸入AB及進為C后，就唯一確定了一個存儲單元，而這個存儲單元存放的正是相應的運算結果。也就是說把ROM做成了一張查找表。例如加法的操作碼是000001 操作數AB分別為000001和000010 那ALU就要查找000001000001000010單元的內容（000011）輸出完成運算[5]。

2.4 通信模塊

通信模塊主要是實現實驗臺和PC機的通信，負責從PC機端讀取信息，如從PC機讀取程序和數據分別下載到實驗臺端的程序存儲器和數據存儲器。如從PC機讀取控制命令等等。同時，通信模塊還負責把實驗臺端的狀態信息上傳給PC機。

在通信模塊作者的設計方案試采用單片機與PC機進行通信。通信的方式主要有串口通信（即打印口）、并口通信和USB口通信。設計時首選的是串口進行通信，串口簡單易于實現[6]。

3 采用EDA技術功能集成的硬件設計方案

功能集成的設計就是作者運用EDA技術，使用高性能的EDA綜合開發工具，按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統進行方案設計和功能劃分，系統的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。采用自頂向下的思想，首相對整個實驗系統進行功能分析劃分，并將CPU的動能集成到一片FPGA（現場可編程門陣列）中，用硬件描述語言HDL完成CPU功能行為的設計。

參考文獻

[1]梁文翰.基于單片機的電力機車數據采集系統的設計[J].現代工業經濟和信息化，2016，（24）：73-74.

[2]尹相濤.數據采集系統的開發與應用[J].南鋼科技，2001，（4）：31-32.

[3]莫章潔.基于ZigBee與GPRS的農業數據采集系統設計[J].貴州師范學院學報，2016，（9）：40-43.

[4]程佩，房海華，黃藍.基于FPGA+DSP的數據采集系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2016，（11）：148-150.

[5]張玉，姚凱學.基于ZigBee的人體健康數據采集系統的設計[J].物聯網技術，2016，（12）：16-18.

[6]張袁志.多任務航空數據采集系統[J].科技傳播，2017，（12）：70-72.