基于FPGA的微程序控制器模型机的设计03.ppt

基于FPGA的微程序控制器复杂模型机的设计与实现 研控计1425班 裴倩倩 导师：夏宏 基于FPGA的微程序控制器复杂模型机的设计与实现 研究背景 微程序控制器的介绍 微程序控制器的设计 结果 研究背景 随着信息技术的发展，随着FPGA的迅速发展，国外的许多学校已经开设了关于HDL，FPGA的课程，并行体系结构，并行程序设计等相关课程，但国内对于这方面的发展还相对薄弱。但以往使用CPLD等教学方法的弊端已经越来越明显，改革已经势在必行。 FPGA是现场可编程门阵列，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它功耗低，成本低，可以无限次的进行编写，是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 微程序控制器介绍 微程序同早期的组合逻辑控制器相比，具有规整性容易修改的优点，因而在计算机设计中逐步取代了早期采用的组合逻辑控制器，并被广泛的应用。 微程序控制器的思想是将操作信号编成微指令，存放到一个只读存储器中，当机器运行时，一条又一条的读取这些微指令，产生系统所需要的各种控制信号，使相应部件执行所规定的操作。 微程序控制器通过由多条微指令组成的微程序，来实现机器指令的功能,是用软件方法来设计硬件的一种方法。 微程序控制器的设计 总体概述 指令设计 微指令设计 地址转移逻辑设计 控制存储器设计 地址转移逻辑设计 总体概述 微程序控制器是由指令寄存器，微地址寄存器、控制存储器、地址转换逻辑、微命令寄存器几个模块组成。 指令从存储器里流动到指令寄存器中，从指令寄存器中流动到地址转化逻辑，地址转换逻辑的作用是判断地址何时自动加一，何时进行跳转并跳转到该跳转的位置。从地址转换逻辑出来的微地址进入微地址寄存器。微地址寄存器是一个六位的寄存器。存放当前要访问的下一条微地址。从控制存储器中相应地址读出来的是24位微命令。微命令到达微命令存储器中由对应的译码器译出超过多个微命令。微命令送达各个部件后控制各个部件进行活动。 指令的设计 微程序控制器模型机的指令设计三大类共4条，其中包括运算类指令、控制转移类指令、数据传送类指令。运算类指令仅定义使用了加法指令ADD，为单字节指令，寻址方式采用寄存器直接寻址，高四位操作码为0000。控制转移类指令同样仅使用了停机指令HLT，为单字节指令，高四位操作码为0101。数据传送类指令有输入指令IN、输出指令OUT两条，用于完成寄存器和I/O之间的数据交换，为单字节指令，IN指令的高四位操作码为0010，OUT指令的高四位操作码为0011。 7-4 3-2 1-0 OP RS RD 微指令的设计 决定微指令格式的主要因素是微指令的编译方式。由于各个部件的价格、速度、综合后的代价的原因，不同的复杂模型机采用不同的微指令格式。 微指令格式总体来说有两种方式，一种是垂直方式，一种是水平方式。论文复杂模型机采用的格式是水平模式。 23 22 21 20 19 18-15 14-12 11-9 8-6 5-0 M23 M22 WR RD IOM S3-S0 A B C MA5-MA0 A字段 B字段 C字段 000 NOP 000 NOP 000 NOP 001 LDA 001 ALU_B 001 P1 010 LDB 010 R0_B 010 保留 011 LDRO 011 保留 011 保留 100 保留 100 保留 100 保留 101 保留 101 保留 101 保留 110 保留 110 保留 110 保留 111 LDIR 111 保留 111 保留 地址转移逻辑的设计 地址转换逻辑主要的功能是确定下一条微地址。在通常情况下，微地址就是微程序存储器中存放微命令的地址（一般是六位）。在大多数不需要分支的情况下，微地址在微命令从微程序存储器读出后，直接由微地址寄存器给出下一条微指令的地址。在有分支的情况下，有分支就意味着地址需要发生转移。通常在这种条件下，通过微命令寄存器中的P测试字段和状态条件信息联合去修改微地址寄存器的内容，从图2中我们可以看出微地址是发生转移的，而且每条微指令的转移到的地址都是明确固定的。 仿真 控制存储器的设计 控制存储器是微程序控制器中的重要部件之一，在这里论文使用了XILINX 公司的ISE生成的。 控存逻辑设计：控存有三片组成需要片选。片选是由使能信号和读写信号。使能信号有运行使能信号和停止使能信号，两个信号都是三位，每一位控制一片控存的使能。读写信号也分运行读写信号和停止读写信号，也都是三位，每一位控制一片控存的读写，当读写信号为高电平时控存写有效，当为低电平时控存读有效。 仿真 微程序控制器设计结果 控制存储器的仿真 地址转移逻辑的仿真 微命令寄存器的仿真 微程序控制器的仿真 微程序控制器在FPGA上的实现 控制存储器的仿真 对三片控存轮流