摘 要： 基于FPGA平臺實現了嵌入式RISC CPU的設計。根據項目要求，實現指令集為MIPS CPU指令集的一個子集，分析指令處理過程，構建了嵌入式CPU的5級數據通路。分析了流水線產生的相關性問題，采用數據前推技術和軟件編譯結合的解決方案。給出了控制單元、運算單元、指令Cache的實現與設計。在FPGA平臺上實現并驗證了CPU的設計。
關鍵詞： 嵌入式CPU； 流水線； 數據相關； 指令Cache
隨著集成電路設計和工藝技術的發展，嵌入式系統已經在PDA、機頂盒、手機等信息終端中被廣泛應用。嵌入式系統具有電路尺寸小、成本低廉、可靠性高、功耗低等優點,是未來集成電路發展的方向。而作為嵌入式系統核心的微處理器，其性能直接影響整個系統的性能。為了提高CPU的效率和指令執行的并行性，現代微處理器廣泛采用流水線設計，所以，CPU流水線的設計成為決定其性能的關鍵。
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)是一種典型的RISC(Reduced Instruction Set Computer)微處理器,在嵌入式系統領域中得到廣泛的應用。MIPS32TM指令集開放，指令格式規整，易于流水線設計，大量使用寄存器操作。與CISC(Complex Instruction Set Computer)微處理器相比，RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優點，并可以應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器。
1 基于MIPS指令集的CPU流水線結構
1.1 指令集的選取
設計實現了指令兼容MIPS系列RISC處理器的指令集。由于MIPS32TM指令集是開放的指令集，指令格式非常簡單，按照指令格式可分為寄存器類型（R-type）指令、立即數類型（I-type）指令和跳轉類型（J-type）指令。這三類指令均為32 bit，而且指令操作碼在固定的位置上。這種特點易于指令代碼的拆分，易于流水線CPU的設計。
指令類型參考MIPS處理器的指令集設計原則。所有指令的運算都在寄存器中進行，當需要與內存交換數據時,通過內存訪問指令進行內存和寄存器的數據交換。設計實現程序中經常使用的34條指令,實現指令集按照功能分成5種類型：算術運算類指令、邏輯運算類指令、數據傳送指令、條件轉移和無條件跳轉類指令、特殊指令等。
1.2 流水線的設計
在基本的MIPS處理器中有5個流水級，其中各流水級定義與主要功能為：IF為計算下一條指令的地址PC，并從指令存儲器讀取指令;ID為對指令進行譯碼，從寄存器堆中取出源操作數;EX為當指令是運算類指令時執行運算，當指令是轉移類指令時進行有效地址計算;MEM為從數據存儲器讀寫數據;WB為將數據寫回到寄存器堆。按照這一流水線結構，本文設計實現一種較為通用的MIPS CPU，通過VHDL語言實現，各模塊之的關系如圖1所示。
2 嵌入式CPU流水線中的相關性
由于指令以流水線形式并行處理,必產生指令相關性問題,一般存在三種相關:結構相關、數據相關和控制相關，引起流水線競爭。
結構相關問題是指由于硬件資源不足而導致流水線不暢通，例如只有一個存儲器模塊時，就不能對存儲器同時取指令和數據。數據相關問題是指一條指令的后續指令要使用該條指令的結果。而控制相關問題是指轉移指令從取指到轉向目標地址要花幾個時鐘周期，但流水線CPU在每個周期都取指令。
解決結構相關問題的方法是盡量增加硬件電路資源，本設計采用哈佛架構，使用指令存儲器和數據存儲器避免結構競爭。對于寄存器組存在的結構競爭，采用由D-FF構建寄存器予以避免，當寫入地址和讀出地址相同時，直接用寫入數據驅動讀出總線。數據相關問題可以用數據前推技術得到緩解。數據前推技術對于ALU計算指令非常有效，但對于存儲器讀數據指令，如果下面的指令想立即使用其結果，則必須暫停流水線一個周期。至于控制相關，可以使用指令重組優化及延遲轉移技術等軟件編譯方法解決。
3 關鍵模塊的實現
3.1 ALU的實現
ALU是數據通路中的重要部件，負責完成各種運算功能。根據CPU要實現的指令集，確定出ALU的操作控制信號數據寬度為5 bit，運算的數據位數為32 bit。操作控制信號(ALU_OP)和ALU的源數據選擇信號根據不同指令的譯碼由控制邏輯產生。
3.2 控制單元的設計
控制單元要根據輸入的指令碼產生一系列的控制信號，用于控制數據通路上的多路選擇器和各功能部件，保證每一條指令都能夠正確執行。
控制單元的輸入信號必須設計為32 bit的指令碼，而輸出信號則要根據需要進行設計。
在IF階段，控制單元需要根據指令的譯碼情況，決定PC的更新值，如果是順序執行的指令，則PC自動加4，對于分支和跳轉指令，需要發出跳轉指令信號和分支指令信號，從而決定PC的更新值。
在ID階段，控制單元對指令進行譯碼，根據指令的操作碼和功能部分，發出相應的控制信號；根據指令中的操作數字段，控制單元給出寄存器號，從寄存器堆中讀出操作數送入ID與EXE之間的流水線寄存器。如果發生數據相關，數據前置邏輯產生前置控制信號。
在EXE階段，控制單元給出ALU數據來源的選擇信號，以及ALU的運算選擇信號，
在MEM階段，控制單元需要給出數據存儲器的讀寫信號，片選信號等。存儲器需要向控制單元返回響應信號。
在WB階段，控制單元主要控制數據的流向，給出多路選擇器的選擇信號，選擇將存儲器讀出的數據或ALU的運算結果寫回寄存器組。
3.3 數據前推技術的設計
對于數據競爭的檢測，通過比較連續3條指令的寄存器標號，把本條指令的rs和rt及前面2條指令的操作數結果寄存器分別進行比較，比較器的輸出信號傳遞到EXE階段用于選擇ALU操作數的來源。
而對于LOAD指令發生的數據相關，必須等到MEM階段完成之后才能得到有效的數據，因此發生數據相關的下一條指令，只能通過延遲一個周期才能利用數據前置技術，如果配合MIPS編譯器，通過使用延遲槽技術可以解決LOAD類型的數據相關。
3.4 指令cache的實現
系統實現了一個容量為2 KB指令Cache，每個Cache行為16 B數據，這樣可以利用存儲器的16 B的突發式傳送。采用2路組相聯方式，支持通寫(Write Through)模式。由同步SRAM實現。
數據Cache由控制模塊、命中與缺失比較模塊、訪問內存模塊、替換模塊、輸出模塊組成。其中控制模塊是整個Cache的主控部件，它控制存儲器和cache協調工作:當執行單元有取指請求時，以指令的物理地址作為索引看是否命中，如果不命中則控制邏輯啟動訪存邏輯到內存中去取指，當指令取回時控制邏輯啟動替換邏輯對指令Cache進行替換并將指令輸出;如果命中，則將指令輸出。
使用VHDL來設計和實現上述各關鍵模塊。綜合后的接口信號圖如圖2所示。
對關鍵模塊和其他模塊進行融合，最后得到的CPU流水線結構圖如3所示。
4 系統的仿真與驗證
使用VHDL實現對各功能模塊的設計，并完成功能仿真后，將設計的控制單元和數據通路的各模塊進行合并，形成一個完整的嵌入式RISC CPU核，進行系統級仿真。基于系統實現的指令集編寫了一個簡單的測試程序。
add $5.$0,$0
addi $7,$0,1
sw $7,10($5)
lw $8,10($5)
將指令碼寫入指令存儲器的仿真文件，測試程序運行得到的仿真波形圖如圖4所示。
每個時鐘周期為10 ns，第一個時鐘周期T1從10 ns處開始，根據仿真波形可以看出，在T5周期，指令sw $7,10($5)處于EXE階段，第二條指令addi $7,$0,1處于MEM階段，需要進行數據前推，Forward_2的值為”10”,通過對測試結果分析可以看出，數據前推成功。通過分析仿真波形圖中各個輸出信號的波形，根據程序的運行過程，可以判斷信號波形正確，達到設計要求。
本文給出了流水線CPU的關鍵模塊的VHDL實現，經過邏輯綜合和仿真，仿真結果表明在時序上設計的嵌入式CPU很好地滿足了流水線的要求。生成位流數據文件對FPGA進行器件編程，FPGA芯片可以在50 MHz的時鐘頻率下穩定的運行。
參考文獻
[1] STALLINGS W, Reduced instruction set computer architecture[J]. Proceedings of the IEEE, 1998,76(6).
[2] BALCH M. Complete digital design: A comprehensive guide to digital electronics and computer system architecture[M]. 北京：清華大學出版社, 2004.
[3] SWEETMAN D. See mips run(the second edition)[M]. 北京：機械工業出版社，2007.
[4] 32位MIPS微處理器研究及其軟硬件建模[D]. 上海：上海交通大學，2007.
[5] 馬鵬,盧景芬,龔令侃. 32位嵌入式CPU的微體系結構設計[J]. 計算機工程，2008,34(9):136-138.
[6] 朱子玉,李亞民.CPU芯片邏輯設計技術[M].北京：清華大學出版社,2004
[7] 賴銘強,聶新義,段國東.高性能嵌入式處理器技術[J]. 計算機工程，2009,35(14):280-282.