1 引言
在如今的快速嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，目前比較流行的方案是在FPGA內(nèi)集成應(yīng)用軟件或是軟IP平臺(tái)，以簡(jiǎn)化工序、加速產(chǎn)品面市日程。為此，很多公司推出了自己的開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及相關(guān)CPU的IP核，常見(jiàn)的為兩種：一種是通用型CPU，如xilinx和altera公司的32位以及64位通用CPU核；還有就是專(zhuān)用型的，常見(jiàn)的為51系列單片機(jī)的CPU核，但是目前關(guān)于單片機(jī)的軟核基本上都是8051的，其他的品種很少。而且8051的速度不是很快，在有些快速的控制場(chǎng)合（如利用單片機(jī)來(lái)作為usb2.0的控制部件）顯得速度不足，比較著名的actel公司推出的Core8051，運(yùn)行頻率也只在40 MHz左右。本文介紹了一個(gè)非常高速DS80C320單片機(jī)軟核的設(shè)計(jì)。
DS80C320單片機(jī)是DALLAS公司推出的一款基于51框架的高性能單片機(jī)。
它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
ⅰ，具有與51系列完全一致的指令系統(tǒng)，能充分兼容所有基于51系列開(kāi)發(fā)的程序；
ⅱ，具有比8051更加齊全的外設(shè)。相比8051單片機(jī)，DS80C320增加了定時(shí)器2以及一個(gè)增強(qiáng)型串口等；
ⅲ，具有比8051更好的效率；DS80C320的一個(gè)指令周期是4個(gè)CLK，8051則是12個(gè)，這個(gè)區(qū)別尤其是在處理簡(jiǎn)單指令的時(shí)候優(yōu)勢(shì)明顯，例如單周期指令的處理，DS80C320只需要4個(gè)CLK，而8051需要12個(gè)，據(jù)DALLAS公司的統(tǒng)計(jì)表明，在相同時(shí)鐘頻率下，DS80C320每條指令的執(zhí)行速度是8051的1.5~3倍，對(duì)于典型的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，執(zhí)行速度也是8051的2.5倍左右。
ⅳ，其讀取指令的方式比8051更加適合IP核的特點(diǎn)；將單片機(jī)內(nèi)部ROM去掉，完全從外部讀取指令，這種特點(diǎn)作為軟核是很適合的，首先是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于指令讀取的流水設(shè)計(jì)，其次可以突破內(nèi)部ROM大小的限制，最后，作為FPGA設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，即使8051的設(shè)計(jì)，內(nèi)部ROM塊也是放在FPGA芯片的ROM資源里面，與其這樣，還不如直接放到外面更加簡(jiǎn)化時(shí)序與結(jié)構(gòu)；
2 總體結(jié)構(gòu)劃分
如圖所示為DS80C320軟核的總體功能圖：
圖1 DS80C320功能框圖
本IP核的設(shè)計(jì)主要按照指令執(zhí)行的流程來(lái)安排功能塊，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線來(lái)傳遞數(shù)據(jù)；虛線里面的為CPU核心；首先是ROM模塊，DS80C320并沒(méi)有內(nèi)部ROM，所以該模塊功能主要是分析從P端口讀取過(guò)來(lái)的指令，并通過(guò)查找指令的長(zhǎng)度以及周期數(shù)目，從而計(jì)算出相關(guān)控制信號(hào)發(fā)送給CPU控制模塊以便控制指令的讀取；同時(shí)，如果指令為L(zhǎng)CALL或者ACALL，則可以分析出子程序入口地址并報(bào)送PC模塊，引導(dǎo)PC正確跳轉(zhuǎn)；在ROM模塊分析指令的同時(shí)，譯碼器DECODER也在進(jìn)行譯碼的動(dòng)作，它將根據(jù)指令的8位數(shù)據(jù)分析出三個(gè)重要的參數(shù)：ALU的動(dòng)作類(lèi)型，該指令的操作數(shù)據(jù)來(lái)源以及讀取方式，該指令結(jié)果的存放位置以及存放方式；第一個(gè)參數(shù)送給ALU模塊，其余兩個(gè)送到CPU控制模塊；CPU控制模塊CPU_CON是整個(gè)CPU的核心部分，主要完成兩個(gè)作用：ALU執(zhí)行前的讀取數(shù)據(jù)控制，以及ALU執(zhí)行完成之后回寫(xiě)數(shù)據(jù)控制；該模塊同時(shí)也控制著整個(gè)CPU的時(shí)序，監(jiān)視其他模塊的執(zhí)行情況；ALU則主要是完成計(jì)算工作；INteR模塊則是中斷系統(tǒng)的控制模塊，其功能主要完成對(duì)各個(gè)中斷源所提交的中斷請(qǐng)求的有效判斷以及排序，產(chǎn)生中斷標(biāo)志并且將判斷結(jié)果以及中斷入口地址編碼提交給ROM模塊，以指示程序跳轉(zhuǎn)，同時(shí)還需要負(fù)責(zé)在中斷完成之后清除中斷標(biāo)志以及恢復(fù)中斷之前的中斷等級(jí)； DS80C320有三個(gè)定時(shí)器和2個(gè)串行口，其中定時(shí)器2和串行口如果不需要的話可以裁減；至于其他的模塊或者寄存器則在CPU控制模塊的控制下通過(guò)數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)；可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)的思路是以CPU_CON控制整個(gè)CPU的執(zhí)行以及時(shí)序，以INTER控制整個(gè)中斷系統(tǒng)，其他寄存器則以數(shù)據(jù)總線來(lái)完成數(shù)據(jù)的交換，均勻的分布在數(shù)據(jù)總線的兩側(cè)，結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，規(guī)則化的設(shè)計(jì)也有利于提高速度，以及方便裁減。
3 一些設(shè)計(jì)特點(diǎn)
3.1時(shí)序設(shè)計(jì)
在DS80C320單片機(jī)的資料里面只有外部接口的時(shí)序介紹，對(duì)于內(nèi)部的信號(hào)執(zhí)行則沒(méi)有說(shuō)明，因此需要重新規(guī)劃，本軟核對(duì)DS80C320的時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)的分析，按照黑盒子的思想，加入了流水線的技巧，對(duì)其時(shí)序的設(shè)計(jì)如下：
對(duì)于普通指令的執(zhí)行過(guò)程，內(nèi)部時(shí)序劃分如下：
圖2 DS80C320內(nèi)部時(shí)序圖
這是一條單字節(jié)單周期指令的執(zhí)行過(guò)程，在C1的上升沿開(kāi)始譯碼以及查找本指令的長(zhǎng)度周期表，同時(shí)，數(shù)據(jù)總線上面是正在回寫(xiě)的上一條指令的結(jié)果；到了C2的上升沿，數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制權(quán)就回到了本條指令的手里，這個(gè)時(shí)候地址總線用來(lái)發(fā)送需要讀取的數(shù)據(jù)的地址，數(shù)據(jù)總線則做好從發(fā)送數(shù)據(jù)到接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，這個(gè)動(dòng)作由CPU控制模塊完成；然后在C3的上升沿，被選中模塊根據(jù)地址總線和控制總線讀出相關(guān)數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)總線，在這以后的一個(gè)時(shí)鐘長(zhǎng)度的時(shí)間里面，ALU接到了數(shù)據(jù)，然后在C4的上升沿，開(kāi)始執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)，CPU控制模塊再次改變地址總線和控制總線的內(nèi)容，并發(fā)布寫(xiě)信號(hào)，提示開(kāi)始被選中讀數(shù)的模塊放棄對(duì)數(shù)據(jù)總線的控制權(quán)，以及被選中的存儲(chǔ)結(jié)果的模塊分析寫(xiě)入類(lèi)型，作好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，ALU在計(jì)算完成之后就將結(jié)果放到數(shù)據(jù)總線，等待下一個(gè)周期的C1開(kāi)始將結(jié)果寫(xiě)入相關(guān)位置；總之，本設(shè)計(jì)充分利用了數(shù)據(jù)總線的資源和流水設(shè)計(jì)的技巧，將本來(lái)需要6個(gè)時(shí)序的操作簡(jiǎn)化為4個(gè)就完成了，時(shí)序緊湊，速度快；同時(shí)采用了分布式處理的思想，大大簡(jiǎn)化了CPU控制模塊的功能，只發(fā)布控制信號(hào)，具體哪個(gè)模塊需要執(zhí)行什么功能由該模塊自行根據(jù)控制信號(hào)來(lái)判斷，有利于避免由于局部功能太過(guò)集中而造成的芯片局部過(guò)熱的問(wèn)題；
3.2指令長(zhǎng)度周期表的設(shè)計(jì)
指令長(zhǎng)度表主要是用來(lái)控制取指令，以及辨別指令代碼和指令參數(shù)；而指令周期表則主要是用來(lái)控制指令執(zhí)行的時(shí)間，這兩個(gè)表可以簡(jiǎn)化對(duì)指令執(zhí)行的控制。一般這個(gè)過(guò)程由ROM模塊根據(jù)已經(jīng)讀取的指令來(lái)查表，然后根據(jù)查表的結(jié)果和時(shí)序情況來(lái)處理分析，產(chǎn)生一系列控制信號(hào)，并發(fā)送給CPU控制模塊，這樣做的好處主要是避免CPU控制模塊與指令以及數(shù)據(jù)打交道，減少其輸入輸出端口數(shù)目；指令長(zhǎng)度周期表的設(shè)計(jì)是和讀取方式息息相關(guān)的，本設(shè)計(jì)使用自己?jiǎn)为?dú)構(gòu)建的表，并且一分為二，處理方式是為：index={lsb_3， ir［7:4］}，其中l(wèi)sb_3的含義為：對(duì)于指令的低三位（ir（2 downto 0）） 規(guī)則為：8-F=》7，6-7=》6，0-5不變化。兩個(gè)表使用相同的讀取方式，這樣既可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將查找空間降低為7位，又可以提高查找速度；
3.3 PC異動(dòng)編碼的作用
在單片機(jī)內(nèi)部，PC是需要不停變化的，不僅所有的跳轉(zhuǎn)類(lèi)指令都需要改變PC的內(nèi)容，而且中斷類(lèi)指令還需要完成PC的出棧以及入棧操作；因此，有些模型里面對(duì)PC的處理異常復(fù)雜，基本上是對(duì)每條指令詳細(xì)規(guī)定PC的變化；本設(shè)計(jì)在這方面的處理采用了編碼的技巧來(lái)提高速度；首先分析編碼的可能性，雖然很多指令可以改變PC的內(nèi)容，但是對(duì)于PC來(lái)說(shuō)，除了正常的加1操作，其它的變化方式只有如下幾種：
其中pmem1和pmem2為指令參數(shù)，來(lái)自于ROM模塊；PC_OUT為堆棧中的PC內(nèi)容。
剩下的難題就是由誰(shuí)來(lái)發(fā)出這個(gè)編碼，對(duì)于所有的跳轉(zhuǎn)類(lèi)指令以及中斷類(lèi)指令，每條指令的跳轉(zhuǎn)條件是不相同的，需要一一判斷，本設(shè)計(jì)就巧妙的利用了ALU模塊來(lái)處理這個(gè)編碼，ALU模塊計(jì)算的時(shí)候也是需要對(duì)操作進(jìn)行判斷的，因此，只要添加一小段代碼就可以讓其完成發(fā)送編碼的功能；PC編碼的方式大大簡(jiǎn)化了PC模塊的操作，使得程序更加規(guī)整；
3.4 雙向P端口的模擬
這里主要是P0和P2雙向端口的模擬；對(duì)于典型的單片機(jī)，其P端口一般都是雙向的，但是對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，以現(xiàn)在的芯片結(jié)構(gòu)，在FPGA芯片里面實(shí)現(xiàn)真正的雙向是不可能的，因此，作為軟核來(lái)說(shuō)，雙向的模擬就一定要處理好；常用的解決辦法有這么幾種：一種是直接將雙向端口改成兩個(gè)單向的端口，這樣對(duì)于軟核來(lái)說(shuō)使用更加方便，本設(shè)計(jì)也提供了這種方式供選擇，但是這樣就與標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)不相同了，因此，本設(shè)計(jì)也提供了一種模擬的雙向口，根據(jù)FPGA設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，改變信號(hào)線的方向必須有個(gè)切換的過(guò)程，這樣就只好仔細(xì)的來(lái)分析指令時(shí)序，看看能不能在P端口使用的間隙來(lái)處理這個(gè)切換過(guò)程；首先是分析指令是否需要使用P端口，比較重要的控制信號(hào)有譯碼器發(fā)送的RD_LATCH信號(hào)，用來(lái)區(qū)分指令是否需要使用P端口，還有來(lái)自于CPU_CON的控制總線信息，用來(lái)告知P端口需要完成的具體功能；如果需要使用P端口的復(fù)用功能，則由相關(guān)的需要使用P端口的模塊（如串行口模塊）發(fā)送請(qǐng)求指令；然后P端口分析所有的使用請(qǐng)求，根據(jù)不同的使用方式來(lái)安排不同的使用情況；如果需要雙向切換，則根據(jù)時(shí)序以及指令特點(diǎn)來(lái)處理，從而順利完成雙向的切換過(guò)程。
4 綜合與驗(yàn)證
使用Altera公司的Quartus II 4.2軟件來(lái)綜合，使用Nios Development Board，Cyclone Edit開(kāi)發(fā)板來(lái)進(jìn)行板上驗(yàn)證；綜合結(jié)果如下：
其中，前一個(gè)版本是沒(méi)有內(nèi)部串行口的版本；時(shí)序仿真驗(yàn)證的結(jié)果表明，在上述頻率下該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作；理論上換算成8051的主頻為：83*2.5=207.5M，這基本上可以適應(yīng)絕大部分需要單片機(jī)控制的場(chǎng)合了；仿真測(cè)試主要使用了modelsim SE5.8以及quartus4.2的VWF文件測(cè)試；板上波形觀測(cè)主要使用Agilent公司的 1673G 邏輯分析儀；同時(shí)充分利用了開(kāi)發(fā)板的資源進(jìn)行了大量的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試；將程序下載到芯片里面，使用邏輯分析觀測(cè)到部分指令的執(zhí)行波形為：
圖3 中斷指令波形圖
這是一條中斷返回指令的波形圖，指令代碼為32H，主要觀測(cè)PC的變化，PC在這條指令之后從3FH又變化為中斷發(fā)生前的地址25H。
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)具有速度快，可裁減，具有良好的可重用性和可移植性，完全兼容DS80C320單片機(jī)接口，以及方便使用等優(yōu)點(diǎn)。尤其是專(zhuān)門(mén)構(gòu)造的內(nèi)部框架以及時(shí)序分配，使得其高速性能在目前的51系列軟核里面基本上是最前列的。因此，可以很方便的應(yīng)用于需要單片機(jī)軟核的FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。