基于cpld-fpga的cpu设计

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1、基于CPLD/FPGA的CPU设计摘要：在分析CPU选型基础上，确定设计基于CPLD/FPGA的8位字长、RISC,多周期、哈佛架构CPU。通过CPU体系结构设计、CPU指令系统的设计，描述了CPU设计相关问题。关键词：CPLD/FPGASOC指令系统体系结构分类号：TN702文献标识码：A文章编号：1007-9416(2014)02-0162-021引言随着EDA技术的发展，用硬件描述语言设计以PLD/FPGA为载体进行各种数字电路设计成为一种不可阻挡的趋势，用硬件描述语言设计CPU也成为可能，伴

2、随作为载体的PLD/FPGA技术飞速发展，PLD/FPGA器件内集成成千上万个门，在CPLD/FPGA上不仅可以容纳CPU，还可以CPU工作所需要的外围电路，发展成为S0C技术，设计实现CPU是这项技术的核心。S0C技术有多种现成产品，CPLD/FPGA生产厂家多提供S0C解决方案。如Altera为业界提供多种软核处理器，从软核处理器NiosII到ARM和Freescale流行的体系结构［1］。另一CPLD/FPGA生产厂家Xilinx也提供了类似产品。这些SOC最大特点是，它们仅针对各自厂家自己的

3、FPGA产品，没有通用性。而设计可在不同厂家CPLD或FPGA上运行、通用SOC具有现实意义，这就是设计基于CPLD/FPGA的CPU。CPU设计涉及：CPU类型的选取、CPU体系结构设计、CPU—7*7指令系统的设计、CPU设计、CPU检验和CPU应用五个方内容。2CPU设计选型CPU类型选取涉及四个方面：选择CPU的字长、CPU的指令类型、CPU指令执行的周期类型、CPU架构。CPU类型按字长分为8、16、32、64位等类型。CPU字长越长，处理数据的能力越强，但所需要的资源越多。CPU类型按的

4、指令集类型可分为CISC和RISC两类。在进行CPU设计时，CISC和RISC两者的主要区别为指令的长度和指令的多少。相对而言RISC类型CPU指令较少，每条指令的长度相同。选择不同指令类型，会直接影响CPU指令译码部分的设计难度。选择RISC类型CPU时，可以降低指令译码部分的设计难度。CPU类型按指令执行的时间周期类型可分为单周期和多周期两类。要进行指令执行单周期CPU设计，涉及流水线、缓存等现代计算机设计相关概念，选择多周期CPU则相对简CPU类型按CPU架构分为哈佛架构和普林斯顿架构两类，普

5、林斯顿架构CPU将指令和数据放在同一存储器内，哈佛架构CPU的存储器分为指令存储器和数据存储器两部分。选择哈佛架构可以相对减少指令的条数。在进行CPU类型的选取时，除考虑涉及四个方面外，CPU的用途也是一个重要的考虑因素，综合考虑，选择设计8位字长、RISC、多周期、哈佛架构CPU。2CPU体系结构设计在确定设计8位字长、RISC、多周期、哈佛架构CPU后，首先要进行CPU体系结构的规划设计。概念上，传统计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，控制器和运算器被制作在一起，称为C

6、PU。CPU体系结构设计主要是运算器部分的规划，CPU设计主要是控制器设计、运算器中ALU部分设计、运算器数据通道的设计。运算器部分是各种指令的执行、完成场所。要完成各种操作，CPU必须包括通用寄存器、标志寄存器、指令指针、指令寄存器、堆栈栈顶指针、内总线、输入输出端口等部分组成。本CPU运算器各主要部分如表1。输入输出端口理论上可以看成特殊寄存器。3CPU指令系统的设计在确定设计8位字长、RISC、多周期、哈佛架构CPU及其体系结构后，接着要进行CPU指令系统的设计。指令系统的设计包括三个方面：指

7、令系统、寻址方式、机器指令设计。4.1指令系统与寻址本CPU的寻址方式只有立即寻址、直接寻址和寄存器间接寻址三类。指令系统共36条指令，分为数据传输指令、算术指令、逻辑指令、转移指令、子程序指令五类。（1）数据传输指令。数据传输指令共7条，实现立即数到通用寄存器、acc与通用寄存器间、直接地址与acc间、直接地址与acc间、通用寄存器指示的间接地址到acc、程序空间到ACC的数据传递。（2）算术指令。算术指令仅有加、减两种，共4条指令。每种运算由立即数与acc、通用寄存器与acc两条组成。传统的带进

8、位运算没有提供，可以靠进位条件转移与立即数1与acc运算两条实现。（3）逻辑指令。逻辑指令包括逻辑运算、移位运算、比较测试运算组成，共有13条指令。逻辑运算有and、or、xor、not四种，共有7条指令。其中and、or、xor指令的操作数为acc和立即数、acc和通用寄存器，not指令的操作数只有acc。移位运算由逻辑左移和逻辑右移一位指令组成，移位对象为通用寄存器，不用制定移位次数。共有2条指令。比较测试运算只有比较、测试指令组成，共有4条指令。比较测试运算操作