基于FPGA的8085ACPU結(jié)構(gòu)分析1引言現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA門數(shù)眾多，人們可以將合適的IP軟核或其他形式的核作為嵌入式模塊裝在自己的設(shè)計(jì)中。但通常IP軟核需要門數(shù)較多的FPGA器件支持，作為學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)的FPGA芯片往往資源有限，需要節(jié)約FPGA的成本與面積;并且沒(méi)必要實(shí)現(xiàn)所有功能，只要做出關(guān)鍵部分及重要結(jié)構(gòu)，明白其運(yùn)行機(jī)理，又能與真實(shí)的CPU緊密相聯(lián)即可。實(shí)驗(yàn)箱上采用的FPGA芯片為Altera公司的EPF10K20TC144-4。這里以Intel的8085A為例來(lái)說(shuō)明8位計(jì)算機(jī)的工作原理。28085ACPU設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)2.1FPGA芯片及外圍電路簡(jiǎn)介Altera的FLEX10K器件是工業(yè)界首例嵌入式PLD，基于可重配置CMOSSRAM元件。EPF10K20帶有144個(gè)LAB(邏輯陣列塊)和1152個(gè)邏輯單元，最大I/O數(shù)目為189。另外，芯片中嵌入式陳列塊(EAB)有6個(gè)，其RAM總位數(shù)為12288。實(shí)驗(yàn)涉及到FPGA芯片的外圍部分包括控制開(kāi)關(guān)、2*8鍵盤輸入、6個(gè)數(shù)碼管輸出、8個(gè)輸入端口、8個(gè)輸出端口及2個(gè)中斷開(kāi)關(guān)等。主要用來(lái)增添程序設(shè)計(jì)的靈活性及形象性，使其可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，驗(yàn)證結(jié)果，避免單純用軟件仿真的不足。外圍電路控制模塊及結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，手動(dòng)從鍵盤輸入相應(yīng)的地址及數(shù)據(jù)(通過(guò)數(shù)碼管顯示)，輸錯(cuò)可以修改;用寫使能開(kāi)關(guān)給RAM寫入相應(yīng)程序。當(dāng)輸入完所有程序后，按下運(yùn)行開(kāi)關(guān)即可執(zhí)行程序，在數(shù)碼管上顯示地址、數(shù)據(jù)及最終結(jié)果?？刂崎_(kāi)關(guān)用于配合鍵盤通過(guò)手動(dòng)方式輸入程序，可以形象化的現(xiàn)場(chǎng)編程。在軟件下載后不使用計(jì)算機(jī)，通過(guò)按鈕、鍵盤就能將程序輸入到RAM中，然后運(yùn)行，顯示出結(jié)果。2.2CPU模塊2.2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型計(jì)算機(jī)由下面幾個(gè)部分組成:8位通用寄存器H、L，16位程序計(jì)數(shù)器(PC)，16位堆棧指示器(SP)，一個(gè)加1/減1地址鎖存器(ADD/ADR)，8位NL寄存器(NL)，8位中斷時(shí)間寄存器(TIMER);算術(shù)邏輯單元(ALU)，累加器(A)，標(biāo)志寄存器(FR)，數(shù)據(jù)選擇器(SEL);指令寄存器(IR)，控制器(CON)，4選1多路選擇器(MUX)，存儲(chǔ)地址寄存器(MAR)，8位數(shù)據(jù)寄存器(MDR);輸入數(shù)據(jù)寄存器(INDT)，輸出數(shù)據(jù)寄存器(OUTDT)等部分組成。其中標(biāo)志寄存器有4位，分別是:進(jìn)位位(Cy)、零位(Z)、符號(hào)位(S)、奇偶位(P)，微機(jī)通過(guò)檢測(cè)這些標(biāo)志位的1位或多位來(lái)判斷程序是否需要轉(zhuǎn)移。微型計(jì)算機(jī)CPU結(jié)構(gòu)圖

圖1微型計(jì)算機(jī)CPU結(jié)構(gòu)圖圖中字母L為數(shù)據(jù)載入控制信號(hào)，E為三態(tài)輸出選通信號(hào)，clk為時(shí)鐘信號(hào)，clr為清零信號(hào)，W為數(shù)據(jù)載入PC信號(hào)，Cpc為控制PC加1信號(hào)，S3-S0為控制ALU進(jìn)行加減、邏輯運(yùn)算或移位運(yùn)算的選擇信號(hào)，Iadr、Dadr為加1/減1地址鎖存器加1減1控制信號(hào)，Isp、DSP為堆棧指示器的加1減1控制信號(hào)，Eram、Wram為讀寫RAM控制信號(hào)。另外，累加器(A)，標(biāo)志寄存器(FR)增加了專用的清零信號(hào)。所有的控制、時(shí)鐘及清零信號(hào)由控制器(CON)模塊給出，而CON模塊由外部時(shí)鐘clkin、清零信號(hào)rst及使能信號(hào)enable控制。存儲(chǔ)地址寄存器(MAR)用來(lái)給RAM輸送地址，從RAM讀指令和數(shù)據(jù)，也可以給RAM寫數(shù)據(jù)。Altera公司的EPF10K20TC144-4芯片中有6個(gè)嵌入式陳列塊，其RAM總位數(shù)為12288。這里RAM可配置為1024*8(1024個(gè)地址，8位數(shù)據(jù))，直接調(diào)用參數(shù)可設(shè)置模塊庫(kù)中LPM_RAM_IO的LPM_FILE文件，用文本編輯器編輯mif文件來(lái)初始化數(shù)據(jù)。如果不用FPGA的內(nèi)部RAM，可外接64K的8位RAM，即尋址空間為64K。2.2.2指令系統(tǒng)內(nèi)部工作原理和指令系統(tǒng)緊密相聯(lián)。本微機(jī)共有54條指令，可分為8類，即數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令、移位指令、增量與減量指令、堆棧操作及中斷指令、轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用及返回指令、其它指令等。指令系統(tǒng)與8080/8085的指令系統(tǒng)表基本一致，標(biāo)志位的變化(無(wú)輔助進(jìn)位位)與其相同，可參見(jiàn)文獻(xiàn)。由于資源所限，沒(méi)有使用8085A所有的寄存器及某些功能，如B、C、D、E寄存器等，但是這并不妨礙本微機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)其絕大多數(shù)功能。從時(shí)鐘周期數(shù)(狀態(tài)數(shù))來(lái)說(shuō)，比8085A更少，也就是說(shuō)速度更快。數(shù)據(jù)傳送指令有14條(一個(gè)n表示一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)):3個(gè)狀態(tài)數(shù)的movah(將H的內(nèi)容存入A)、movha、movla(將A的內(nèi)容存入L)、mova;l4狀態(tài)的mvian(將數(shù)據(jù)n存入A)、mvihn、mviln、mvitn(將數(shù)據(jù)n存入time寄存器，此指令為新增);5狀態(tài)的movma(將A的內(nèi)容裝入HL所指的地址)、movam;4狀態(tài)數(shù)的sphl(將HL寄存器的內(nèi)容裝入SP);6狀態(tài)的inn(n所指地址的內(nèi)容給A)、outn;4狀態(tài)的cd_out(A內(nèi)容給PC+1，停機(jī)，此指令為新增)等。算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令有13條:3狀態(tài)的cmc(Cy符號(hào)取反)、stc(Cy置1)、cma(寄存器A內(nèi)容取反);4狀態(tài)的addh(將A與H相加后給A)、adin(將A