基于嵌入式计算机原理仿真系统设计

刘明江

摘要：基于嵌入式计算机组成原理仿真实验系统是一套非常优秀的系统。它可以用软件开发设计自己的8位模型机，可以直观的观察数据的流动和存储过程，可以通过接口扩展来进行计算机接口的各种试验，可以模拟多种8位CPU的运行（如INTEL86系列、RISC及C51系列等），可以脱离硬件用软件模拟仿真全部的硬件实现等等。本论文从不同方面阐述基于嵌入式计算机原理仿真系统设计，希望为研究计算机原理仿真系统的专家和学者提供理论参考依据。

关键词：嵌入式技术；计算机原理；仿真系统设计

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0146-01

基于嵌入式计算机组成原理仿真实验系统，将会成为计算机应用教学中的重要工具。它是一套既能实现组成基本计算机模型，又能够灵活的组成各种结构的计算机处理模型的实验系统。它还可以模拟几种典型的单片机以及8088等CPU的运行模式及指令系统，从而进行接口实验，仿真实验，和CPU的结构，微程序设计，满足教学实验和科研开发的仿真过程。

1 实验系统设计思想

一个完善的组成原理实验系统，还要有一个强大的软件开发平台。这个软件可以用来指定所用的指令集或者设计自己的指令集。编译用户输入的源程序。还要对实验进行软件的模拟仿真，使其脱离实验硬件也可以独立运行。同时，可以通过软件来对实验的硬件平臺进行控制，实现数据的下载，程序的装入等等。还有就是要有一个强大的帮助系统。这是必不可少的，所以设计时也要考虑到软件功能的独立性和其的强大功能[1]。

2 采用独立功能模块的全硬件的设计方案

2.1 独立功能模块的设计思想及模块化分

模块化是按照功能将一个软件或硬件切分成许多部分单独开发，然后再组装起来，每一个部分即为模块。其中每个部分都有自己的功能，不依赖于其它部分，也就是说没一部分在功能上是独立的。同时，每个部分的结构是彼此独立的，每个部分都有其自己的结构。其优点是利于控制质量、利于多人合作、利于扩充功能，利于项目的管理、利于降低设计度、有利于加快设计速度因为多个模块可以同时进行、有利于模块的复用等等[2]。

2.2 微处理器

控制器有微程序控制器和硬布线控制器两种。硬布线控制的特点是：组合逻辑电路由门电路组成，处理速度快，当指令数量多时，设计难度大。但它的灵活性小不适合本次设计的要求。微程序控制器用规整的存储结构，代替了不规整的、复杂的硬联逻辑，结构简单。更重要的是利于扩展，灵活、通用性强。在数据结构通路不变的前提下，可以通过修改微程序来改变指令的执行方式，同时增加新的微程序来增加新指令，甚至可以用更换一套微程序的方法来更换指令系统。这正是实验系统所需要的。下面阐述微程序的原理、设计步骤、和作者的设计方案[3]。

微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把所有的控制命令信号汇集在一起编码成所谓的微指令，再由微指令组成微程序，存放在一个EPROM里。系统运行时，一条又一条地读出这些微指令，产生执行部件所需要的各种控制信号，从而驱动执行部件进行所规定的操作。这里将存储逻辑和程序技术引入到CPU中。这里微指令是构成控制信号序列的最小单位，也称微信号，通常指那些直接作用于部件或控制门电路的命令。而执行部件接受微命令所执行的操作叫做微操作[4]。

2.3 算术逻辑运算单元（ALU）

ALU根据其功能可以划分为多个档次。普通的只能实现基本的算数逻辑运算工能，符点及乘除等运算通过软件来完成。这样的ALU设计简单但运行速度慢。高档的可以支持算数逻辑运算外还可以支持符点向量及标量等运算。这些运算通过硬件来实现。设计复杂但有很高的效率。输入输出都是8位。其中操作码、输入A、输入B合进位C加在一起共23位一起作为ALU ROM的输入地址线。当给定一组操作码、输入AB及进为C后，就唯一确定了一个存储单元，而这个存储单元存放的正是相应的运算结果。也就是说把ROM做成了一张查找表。例如加法的操作码是000001 操作数AB分别为000001和000010 那ALU就要查找000001000001000010单元的内容（000011）输出完成运算[5]。

2.4 通信模块

通信模块主要是实现实验台和PC机的通信，负责从PC机端读取信息，如从PC机读取程序和数据分别下载到实验台端的程序存储器和数据存储器。如从PC机读取控制命令等等。同时，通信模块还负责把实验台端的状态信息上传给PC机。

在通信模块作者的设计方案试采用单片机与PC机进行通信。通信的方式主要有串口通信（即打印口）、并口通信和USB口通信。设计时首选的是串口进行通信，串口简单易于实现[6]。

3 采用EDA技术功能集成的硬件设计方案

功能集成的设计就是作者运用EDA技术，使用高性能的EDA综合开发工具，按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。采用自顶向下的思想，首相对整个实验系统进行功能分析划分，并将CPU的动能集成到一片FPGA（现场可编程门阵列）中，用硬件描述语言HDL完成CPU功能行为的设计。

参考文献

[1]梁文翰.基于单片机的电力机车数据采集系统的设计[J].现代工业经济和信息化，2016，（24）：73-74.

[2]尹相涛.数据采集系统的开发与应用[J].南钢科技，2001，（4）：31-32.

[3]莫章洁.基于ZigBee与GPRS的农业数据采集系统设计[J].贵州师范学院学报，2016，（9）：40-43.

[4]程佩，房海华，黄蓝.基于FPGA+DSP的数据采集系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，（11）：148-150.

[5]张玉，姚凯学.基于ZigBee的人体健康数据采集系统的设计[J].物联网技术，2016，（12）：16-18.

[6]张袁志.多任务航空数据采集系统[J].科技传播，2017，（12）：70-72.