基于FPGA 的8 位SoC 微體系結構設計

張劍賢，吳文華，劉錦輝，裘雪紅

（西安電子科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710071）

0 引 言

計算機技術與微電子技術的快速發展，對處理器及計算機系統產生重要的影響[1-4]。由于教學資源及授課學時的限制，在理論教學環節難以完整詮釋計算機內部的工作原理及結構。在實驗環節主要以驗證性實驗為主，利用數字集成電路組成的實驗箱或在EDA 實驗板上調用已有IP 模塊進行實驗，學生難以了解和掌握處理器內部的實現原理。因此現有的教學模式難以將計算機系統完整設計及驗證[5-6]。

片上系統（System on Chip,SoC）[7]與計算機系統結構相似、功能相近，可通過SoC 微體系結構的設計加深對計算機結構的認識及理解。

伴隨著可編程邏輯器件的發展，以現場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array,FPGA）作為物理載體進行SoC 系統設計的方法受到廣泛關注[8-10]。該方法以IP 核為基礎，以硬件描述語言為主要設計手段，借助以計算機為平臺的EDA 工具，以自動化的自頂向下方式進行。基于FPGA 的SoC 系統設計為計算機結構及系統驗證提供了有效的途徑[11]。

國內外眾多高校紛紛開設了SoC 課程，但是大部分SoC 課程主要以應用Altera 或者Xilinx FPGA 集成的SoC 進行應用開發，只有部分大學采用自行設計CPU 的方法。麻省理工學院開設的計算機結構課程[12]是一門貫穿整個計算機系統的課程，包括硬件和軟件方面的基本內容。其中硬件方面包括門電路、功能部件、單周期和流水線 CPU 之間的所有基本內容。美國伯克利大學EECS 系計算機系統結構課程要求設計基于MIPS指令的單周期和流水線CPU[13]。東南大學的楊全勝教授開設的計算機系統綜合課程，設計基于MIPS 指令的RISC 型MiniSys 32 位微處理器，培養學生在嵌入式處理器、計算機接口電路、嵌入式系統等方面的綜合實踐能力[14]。清華大學、浙江大學、南京大學、同濟大學及華中科技大學等高校也開設了計算機系統綜合類實驗課程。

1 總體設計思路及方案

針對計算機硬件系列課程內容相對獨立，知識結構關聯性不足，本實驗案例采用基于基礎應用解決課程之間基本概念的橫向聯系和工作原理的縱向支撐的綜合教學方式，突破知識孤島的封閉特性，將多個課程知識相互聯系，通過學生動手實踐，將多課程的知識點聚集成計算機學科的基礎知識面。針對以往驗證類為主的實驗對學生實踐能力的提高難以提供有力支撐，導致難以滿足綜合型人才培養需求的問題，本實驗案例主要采用設計類實驗，廣開思路，激發學生的探究欲望，使學生在綜合運用知識解決問題的過程中加深對知識的理解和鞏固，提升學生解決計算機領域復雜工程問題能力及創新能力。

（1）以計算機微體系結構設計實現為目標，構建計算機專業硬件類理論知識縱向體系結構。以計算機微體系結構設計實現為目標，綜合運用數字電路、計算機組成原理、微機原理、硬件描述語言和FPGA 等知識和技術方法完成一個完整的SoC 系統設計。計算機組織與體系結構課程為SoC 設計提供了SoC 組成結構及片上IP 核模塊互連方式的基礎理論，數字電路提供了組合和時序邏輯電路設計的方法，硬件描述語言VHDL為SoC 功能模塊提供了實現的途徑，匯編語言或C 語言可實現SoC 具體應用功能，SoC 設計相關課程的關聯性如圖1 所示。通過SoC 微體系結構設計，可以將所學的計算機組成原理、數字電路、硬件描述語言、匯編、數據結構等基礎知識關聯起來，融合成新的知識結構。建立計算機專業硬件類理論知識縱向體系結構，有利于提高學生系統分析與設計能力、軟硬件協同綜合開發實踐能力以及創新能力。

圖1 SoC 知識關聯

（2）目標導向，注重實踐的改革思路。以8位SoC 系統設計為目標，以硬件描述語言設計實現為改革主線，從邏輯電路的工作方式深入剖析計算機的工作原理，從接口電路設計應用角度詮釋處理器與邏輯電路之間的關系，注重于CPU的設計與邏輯電路的設計實現及FPGA 驗證。本案例實驗環節需要設計的SoC 的結構如圖2 所示，包括存儲器（RAM 和ROM）、指令寄存器IR、程序計數器PC、堆棧指針SP、算術邏輯單元ALU 等功能模塊。

本案例所設計的CPU 是基于CISC 構架，由27 條指令組成，包括數據傳送、算術邏輯運算、移位操作、控制轉移等指令。指令尋址方式包括立即尋址、直接尋址和寄存器尋址。具體指令見表1。

圖2 SoC 系統結構圖

表1 所設計的指令集

2 實驗實施過程

2.1 實施思路及內容

案例以“學生為中心，教師為引導”，采用從簡單到復雜、從功能模塊到系統綜合的逐層遞進的啟發式教學方法。以設計實現為教學重點，從設計的角度來剖析計算機功能模塊的結構及基于硬件描述語言的實現思路。在較為完整的綜合設計項目實現過程中引導學生了解計算機內部工作原理及結構，掌握硬件描述語言設計方法及FPGA 設計驗證方法；引導學生根據需求設計功能結構，設計并驗證功能要求，并通過測試與分析提高綜合實踐能力。

本案例注重基礎知識的應用、理論到實踐的轉化，涉及SoC 系統的基本結構、系統研究內容以及關鍵技術等基礎知識，涉及基于硬件描述語言的數字系統基本邏輯電路設計方法、基于硬件描述語言的SoC 系統中算術運算部件原理及設計方法以及存儲器結構及設計方法等內容。重點討論基于FPGA 的8 位SoC 系統設計方法以及各個功能部件的設計開發，包括指令集、程序指針PC、指令寄存器IR、算術邏輯單元ALU、通用寄存器RN、程序存儲器ROM、數據存儲器RAM、堆棧指針SP 以及通用IO 接口等功能模塊設計實現。

本教學案例設計了多個與課程內容相配套的設計實驗，具體實驗內容見表2。學生需要采用硬件描述語言自主完成SoC 系統的每個功能模塊的設計，以及8 位SoC 系統綜合及仿真驗證，并按要求完成基于FPGA 實驗板的原型驗證。通過設計類及綜合實驗切實提高學生的動手設計能力。

表2 SoC 微體系結構設計實驗

2.2 具體實施過程

SoC 設計實驗過程需要綜合運用計算機專業多門硬件課程的理論知識及技術方法，并涉及EDA 軟件仿真驗證、FPGA 原型驗證、總線結構、數據總線、控制總線、數碼管動態掃描、控制時序及按鍵消抖等工程設計概念與方法。因此本案例在實施過程中采用“方法引導，自主設計”的實施思路，以設計性和綜合性實驗為主要實驗內容，通過對實驗任務的分析、思考、設計及驗證，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，培養學生創新意識及團隊合作精神。

（1）啟發式教學方法。課堂教學以設計實現方法為教學重點，通過設計案例的分析引導學生進行思考。從設計的角度來剖析計算機功能模塊的結構，采用課上方法引導討論，課下微課強化學習的教學模式開展教學活動。

（2）設計方法引導。采用模塊化的設計思想和自頂向下的設計方法，逐層遞進式教學實施思路。對CPU 功能模塊進行分解，以數據通路及指令執行過程的順序設計每個模塊功能。

（3）信號傳遞及時序分析。重點分析功能模塊之間的邏輯關系及信號時序關系，掌握同總線結構下控制信號時序及指令執行過程的不同。分析微程序控制器微指令與指令集之間的關系，注意微命令的互斥和相容關系。

（4）分組實驗。2～3 人一組。老師提出實驗要求，學生根據實驗要求以小組形式進行學習交流、方案分析、問題討論及設計探討等交流活動。交流形式可以多樣化，如報告形式、現場討論或者網絡討論。分組方式有利于問題討論及設計分析探討、分工協作，培養學生語言組織及表達能力、團隊意識和合作精神。

（5）功能實現與測試驗證。通過EDA 工具的功能及時序仿真方法驗證SoC 每個功能模塊的正確性，并采用FPGA 原型驗證方法驗證各個功能模塊及整個SoC 系統的功能。實驗采用學院自設計的基于Xilinx FPGA 的實驗板進行測試驗證，具體SoC 設計實驗板如圖3 所示。

圖3 自設計SoC 實驗開發板

（6）提問式驗收。實驗項目不僅關注結果的正確性，更重要的是學生能真正理解和掌握的程度。因此采用提問驗收方式引導學生進行思考及完善實驗內容。學生必須完成題目所要求的基本功能，并現場解說所設計的方案及結果分析。

SoC 微體系結構設計課程是一個比較完整的綜合實踐工程。學生需要經歷學習研究、需求分析、結構設計、仿真驗證、FPGA 驗證、設計總結等過程。在教學實施過程中，需要從以下幾個方面對學生進行加強引導。

（1）在實踐過程中將計算機專業相關的知識融會貫通，建立金字塔式的計算機專業硬件類知識縱向體系結構。通過以數字邏輯電路和計算機組織與體系結構為基礎、8 位SoC 系統設計為目標、微機接口為應用對象、采用硬件描述語言設計實現計算機微體系結構各個功能部件的方法，使學生在實踐過程中將知識融會貫通，建立起計算機專業硬件類知識體系結構。

（2）強調分析功能模塊之間的邏輯關系、信號傳遞和時序關系以及控制時序關系。采用硬件描述語言設計時，引導并鼓勵學生采用不同的描述方式及不同的邏輯語句實現同一功能要求。

（3）不同的指令需要用到不同的控制信號，需要對每條指令進行分析以獲取完整的控制信號及時序關系。在不同微指令下，控制信號的時序及執行的過程也有所不同。

（4）在設計中，注意設計的規范性（如模塊接口的規范性）及可擴展性，并注意按鍵消抖、時鐘頻率對結果顯示的影響等。

3 實施效果

本案例是一門以實踐為主，注重理論與實踐緊密結合的課程。自2012 年在計算機科學與技術專業嵌入式方向開始試點實施，經過7 年的教學實施及驗證，教學內容和實驗不斷地完善，形成了具有計算機專業鮮明特色的實踐類課程，受益學生1 000 多人。課程的實施使學生能夠將數字電路、計算機組織與體系結構、微機原理與系統設計、硬件描述語言和可編程邏輯器件等課程知識融會貫通，深入了解掌握計算機內部工作原理及功能模塊相互關系，建立較完整的計算機專業硬件類知識體系結構。

（1）學生評價反饋。大部分學生反饋表示，實驗內容安排由易到難，由基礎到綜合，通過任務的分解和逐層遞進的方法激發了學習興趣和積極性。在任務需求分析過程中，老師引導大家進行辯證分析和信息提煉來設計功能結構，并通過硬件描述語言對SoC 系統各個功能模塊進行編程實現及工程驗證，培養了自主探究式學習、思辨性和工程設計思維方式，提高了分析問題和解決問題的能力，以及綜合實踐動手能力。實驗過程采用分組方式進行，建立了相互討論、學習交流的良好氛圍，培養了大家溝通能力、團隊意識和合作精神。通過提問式驗收方法引導大家進行思考及完善實驗內容，并通過測試與分析提高了綜合實踐能力。

（2）校內外同行認可。本案例的教學改革工作立足本專業學科特點，在SoC 系統綜合設計項目實現過程中引導學生深入了解計算機內部原理及結構。通過硬件描述語言設計實現SoC 微體系結構的方法，實現了計算機專業多門硬件課程的有機結合。在實施過程中引導學生根據任務需求設計功能結構，并通過測試與分析提高學生對計算機體系結構的認知能力、關鍵原理的掌握程度以及綜合實踐能力。本案例的教學改革工作得到了校內同行及領導的認可和支持，獲得了4 項教改項目資助。以案例的實驗內容參加全國電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽得到了國內校外同行的一致認可和好評，獲得了全國一等獎（1次）和二等獎（2 次），并且獲得第四屆全國計算機類課程實驗教學案例設計競賽全國二等獎。

4 結 語

注重工程實踐、培養創新人才是當前高等教育對本科生培養的大方向。如何切實提高學生綜合設計能力和實踐能力，培養學生創新思維和銳意進取精神是我們多年來一直探索的課題。本教學案例從計算機專業學科特點出發，具有立足系統、加強實踐、注重創新和發展學生個性的特點。學生通過課程學習，不僅親自參與到實際的SoC 系統整個硬件結構的開發過程，而且加深了對計算機系統工作原理及結構設計的理解。課程及實驗內容的綜合性能夠切實提高學生的綜合設計實踐能力、分析及解決問題的能力，培養學生創新思維及團隊意識和合作精神。

本教學案例以數字邏輯電路為設計起點，不僅適合于計算機專業推廣，也適合于非計算機專業作為數字電子系統設計的參考，具有非常重要的推廣應用價值。