基于CPLD电路实现组合逻辑RISC控制器的设计
2012-10-31吴保荣
吴保荣
（武汉理工大学 计算机学院 ，湖北 武汉430070）
基于CPLD电路实现组合逻辑RISC控制器的设计
吴保荣
（武汉理工大学 计算机学院 ，湖北 武汉430070）
通过设计数据通道、指令系统、指令流程、控制信号等，找出了各个微控制信号的逻辑表达式，利用CPLD电路完成硬布线工作，做出了组合逻辑控制器，外加运算器、寄存器、时序电路、主存储器等部件实现简单的模型机计算机。此设计应用了可编程逻辑器件，提高了模型机指令执行的速度，也提高了系统的可靠性。
CPLD；组合逻辑控制器；模型机
1.引言
20世纪 80年代兴起的电子设计自动化（Electronic Design Automation，简称EDA）是现代电子设计的核心技术，利用EDA技术进行电子系统设计的主要目标是完成专用集成电路（ASIC）的设计。而现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）是实现这一途径的主流器件。由这些器件、技术应用到组合逻辑控制器上，继而组成芯片上并行化的计算器形成硬件上的RISC。
本文介绍了一种基于CPLD组合逻辑控制器模型机的实现，大规模可编程逻辑器件 （Complex Programmable Logic Device，CPLD）采用ispLSll032芯片，它的等效逻辑门为6000门，具有128个宏单元，192个触发器和64个锁存器。
2.总体设计
该模型机的目标定位：具有取数LD、存数ST、数据传送MOV、加法ADD、跳转JMP、停机等功能，数据位数为8位，即运算器8位;寄存器8位，数量3个，分别为R0，R1，R2;数据线8位，指令长度8位。
微控制信号的产生电路由CPLD-ispLSll032芯片实现，其他运算器，存储器等通称为外部电路。
使用ABEL硬件描述语言对CPLD进行编程来实现模型中CPU控制器的功能，利用ispDesign EXPERT软件环境对可编程逻辑器件进行设计系统、仿真、测试、验证其逻辑功能并下到CPLD芯片中。它与外围部分的时序电路、主存、输入输出设备、运算单元、寄存器组等构成l台完整的8位模型计算机。
3.数据通路结构
图1 ：数据通路图
4.指令系统
本设计的指令系统采用定长8位，共包含5条指令：取数LD、存数 ST、数据传送 MOV、加法 ADD、跳转 JMP，其中MOV、ADD、JMP指令的寻址方式为寄存器寻址，且都为单字节指令；LD、ST指令的寻址方式为存储器寻址，且都为双字节指令。
单字节指令为单周期执行完成；双字节指令为2周期执行完成，设置周期状态标记为F，第一机器周期F=0，第二机器周期F=1，F由组合逻辑控制器产生。
模型机中的各条指令的格式和功能如下：
其中，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：
5.模型机的指令流程
如图2所示，取指令操作码的操作安排在2个节拍内完成，在F=0周期的Tl节拍将PC的内容送AR，T2节拍发出读命令，把取出的机器指令送指令寄存器lR。对MOV、Add和JMP指令在鸭和T4节拍完成PC+1与指令的执行；对LOAD和STORE指令在T3节拍修改PC值，在T4节拍将PC的内容送AR，同时时F=l，准备取指令的第二个阶段。在F=1周期完成指令的执行。
图2 ：指令流程图
6.控制信号
把指令流程图中的控制信号序列合理地安排到各个机器周期的相应节拍中去，列出每条指令的各操作过程所需的控制信号，以MOV指令合LD指令为例：
MOV指令各时钟周期的控制信号：
LOAD指令各时钟周期的控制信号：
7.最简逻辑表达式
根据以上控制信号时间安排，对每个控制信号进行逻辑综合和化简，得到控制信号的最简逻辑表达式（用ABEL硬件语言描述）如下：
8.硬布线逻辑
根据每个控制信号的表达式在门阵列器件中编程，生成硬联控制逻辑。使用ABEL硬件描述语言，利用ispDesign EXPERT软件来对可编程逻辑器件设计系统进行仿真、测试，验证其逻辑功能，通过下载电缆将仿真确认编译好的JED文件下载至CPLD芯片ispLSll032中，进行系统的在线校验。
9.组装与调试
基于CPLD器件及硬件描述语言的组合逻辑控制器设计完成后，利用实验导线将可编程逻辑器件的各引脚与给定试验箱的外围电路相连接，组装成1台完整的模型机。由于大部分受控电路模块利用实验箱内的实验单元模块，所以随时可以根据现场要求对控制电路进行在线修改，从而给设计带来了极大的便利。
根据表l中“模型机的指令系统”，编写l段机器指令，进行硬件测试。利用实验箱的其它实验电路模块与CPLD模块搭建系统，能以单拍或单步的方法在实验箱上运行程序，直到调试成功。
机器指令的程序清单如下:
；机器指令格式说明（”P”代表机器指令）：
；PXX XX
；地址 机器代码
1 0.结语
运行上述几条机器指令，在该组合逻辑控制器模型机中执行需要9个机器周期，从逻辑综合与仿真测试的结果看，该控制器完全达到了设计指标，并优于微程序控制器模型机。
利用大规模可编程逻辑器件，完成了组合逻辑硬布线控制器模型机的设计与实现。通过软件设计芯片来实现系统功能，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率。并能够缩小系统体积，降低功耗，提高了系统的性能和可靠性。
硬布线控制器模型机，是用组合逻辑的门电路实现控制信号,充分发挥了可编程逻辑器件的作用，随着新一代机器及VLSI技术的发展，硬布线逻辑设计思想必将会越来越得到重视。
由于时间仓促和水平有限，许多问题未能考虑，不足之处恳请读者赐教。
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