基于VHDL的簡易16位模型機設計與實現

張勝 李方云 曹家慶

摘要：在QuartusII6.0的IDE環境下利用VHDL技術設計并實現了一個基于CycloneⅡ系列的FPGA芯片的16位模型機，能夠實現加減乘除算術運算、與或非邏輯運算以及進行算術左右移運算。對模型機各部件設計、編譯和仿真成功后，下載到SOPC/EDA實驗平臺進行測試，達到了預期效果。

關鍵詞：CPU設計；VHDL；Quartus II；FPGA

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）13-0275-04

近年來，隨著電子設計自動化技術的不斷發展，基于現場可編程（FPGA）技術設計嵌入式CPU突破了原有的技術瓶頸，使產品的開發周期大為縮短，性價比也大幅提高。特別是隨著硬件描述語言（VHDL）綜合工具功能和性能的提高，計算機中許多重要的元器件，甚至是整個CPU都用硬件描述語言來設計和表達，形成了所謂的單片系統——SOC和SOPC。

本文是計算機組成原理課程中綜合實驗的內容之一，以計算機基本組成和原理為基礎，利用EDA中的VHDL技術在CycloneⅡ系列的FPGA芯片上設計、實現一個16位模型計算機，主要側重于CPU設計，要求能夠實現加減乘除算術運算、與或非邏輯運算以及左右移運算等基本功能。

一、模型機的硬件設計

簡易16位模型機模塊設計如圖1所示，包括的部件有存儲器（RAM）、內存緩存寄存器（MBR）、內存地址寄存器（MAR）、控制器（CU）、程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、緩沖寄存器（BR）、累加器（ACC）、乘法寄存器（MR）和運算器（ALU）。圖中帶箭頭的粗線表示模型機的數據流，帶箭頭的細線表示模型機中的控制信息（CS）。系統將累加器和乘法寄存器一并設計在運算器中。

二、指令系統設計

1.指令設計。系統采用單地址指令結構，指令字包含操作碼和地址碼兩部分，前者描述指令的功能，如加減乘除、與或非、左右移等，后者指明數據在內部存儲器的位置。為了簡便起見，內部存儲器大小設定為256×16bits，操作碼和地址碼各占8位。系統中指令集如表1所示，[x]表示內存地址為x的內容，例如，指令字（03C8）16表示加指令，其功能是將內存地址C8存儲單元的值與ACC的值相加后結果存入ACC中。

2.微指令設計。微指令由操作控制字段（16位）和順序控制字段（8位）組成。前者是CU產生的16位控制信號，實現對各部件的操作控制，后者通過邏輯判斷完成下一條微指令的尋址。微指令中操作控制字段功能分配如表2所示。其中，C[3..0]是ALU的操作選擇信號，可控制執行設計的16種算術邏輯操作之一。本系統選用了10種方式，對ACC進行清零、加減乘除、與或非和移位操作。C[5..4]是MBR的輸入選擇信號，01傳入主存信息，10傳入ALU計算結果信息。C[7..6]是MAR的輸入選擇信號，01傳入MAR信息尋找下一條數據信息，10傳入PC信號尋找下一條指令。C[9..8]是PC的控制選擇信號，01是PC+1定位下一條指令地址，10是傳入MBR[7..0]的數據地址。C[10]控制是否將緩存高8位信息傳入IR，對其進行譯碼。C[11]控制是否將緩存信息傳入BR，對其進行ALU計算。C[12]控制CU是否終止操作，即結束模型機工作。C[15]控制對主存的寫和讀。通過這些控制信號使模型機按時序正常運行。

3.微程序設計。系統采用微程序控制器對指令進行譯碼。每條指令對應一個微程序。指令周期包括取指周期（T1、T2、T3三個時鐘周期）和執行周期（T4、T5、T6、T7等若干個時鐘周期）兩部分，各指令對應的微操作如表3所示。

三、系統仿真與測試

邏輯電路的設計與仿真是在QuartusII6.0的環境下完成的，硬件測試平臺為杭州康芯電子有限公司在“SOPC/EDA組成原理實驗開發系統”上完成。

測試程序代碼與數據通過編輯lpm_ram_dq0配置文件ram.mif，并將其保存在與實驗電路CPU.bdf工程所在的文件夾中，與實驗電路CPU.bdf一同編譯后，得到下載文件CPU.sof。ram.mif內容如圖2所示，內存地址[00]至[1B]為測試代碼，[A0]至[B2]為測試數據。其中，[00]至[1C]測試表1中列示的算術和邏輯命令，[0D]至[17]為計算1—100的整數求和（結果為5050），[18]至[1A]表示將求和的結果除5，用來測試除法指令。

1.仿真測試。設計波形激勵文件，進行波形仿真，仿真結果如圖3所示。從仿真結果看，達到了預期的設計要求，因文章篇幅限制，圖中列示了部分仿真結果。

2.下載至實驗平臺測試。在SOPC/EDA組成原理實驗開發系統上進行FPGA芯片類型的選擇、內部電路模式選擇及引腳綁定。（1）芯片選擇：Cyclone系列的EP1C6Q240C8。（2）時鐘信號：clk選用clock2（=4khz），ram_clk選用clock0（=8khz）。（3）內部電路模式：0號電路。（4）Reset信號：鍵8。（5）數碼管：左邊高4位為ACC值，右邊低4位為BR值。實驗結果達到了設計要求。

四、結語

本文利用了VHDL技術設計并實現了一個簡易的16位模型機，能夠實現簡單的算術邏輯運算，讓學生能夠深入理解計算機的基本組成、內部結構和工作原理，為后續計算機軟硬件課程學習打下了良好的基礎。由于時間關系，本系統設計仍然存在某些不足，如時序控制、指令系統過于簡單、沒有考慮運算結果（如溢出、負值、零值等）對控制器的影響等問題，但是該模型機基本能夠實現計算機系統中所用的關鍵指令。

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