设计开发
基于CPLD/FPGA的 CPU设计
刘景文
(天津滨海职业学院天津300451)
数事费。与度用
摘要：在分析CPU选型基础上，确定设计基于CPLD/FPGA的8住字长、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设计相关同题。
关键调:CPLD/FPGASOC指令系统体系结构
中图分类号TN702 1引言
文献标识码：A
文章编号：1007-9416(2014)02-0162-02
3CPU体系结构设计
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工作所需要的外图电路，发展成为 SOC技术，设计实现CPU是这项技术的核心。
SOC技术有多种现成产品，CPLD/FPGA生产厂家多提供SOC 解决方案。如Atera为业界提供多种软核处理器，从软核处理器 Nios到ARM和Freescale流行的体系结构，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已的FPGA产品，没有通用性。面设计可在不同厂家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指令系统的设计、CPU设计、CPU检验和CPU应用五个方面内容。 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则相对简单。
CPU类型按CPU架构分为哈佛架构和普林斯顿架构两类，善林斯额架构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。
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、输人设备、输出设备五部分组成，控制器和运算器被制作在一起，称为CPU，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，输人输出端口等部分组成。本CPU运算器各主
要部分如表1。输人输出端口理论上可以看成特殊奇寄存器。 4CPU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：指令系统、寻址方式、机器指令设计。
4.1指合系统与导址
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与通用奇存器间，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。比较测试运算操作数为ac和立即数，acc和通用寄存器。(4)转移指令。转移指令包括条件转移和无条件转移两类，共7条指令。条件转移测试进位标志位、零标志位、奇偶标志位，为0或为1进行转移，共6条。(5)子程序指令。子程序指令由子程序执行有关的5条指令组成。包括子程序调用指令、子程序返回
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表1运算器寄存器表
库号 2 3 4 5 6 7
名称及标识累加器（ACC)
通用寄存器(AX，BX) 标志寄存器(FLAG) 指令指针寄存器(PC)
堆栈栈顶指针客存器(SP) 输人输出螺口(PORT) 指令暂存寄存器(OP
备注宽8位位宽8位
位宽8位(仅有进位，零，奇偶标志)
位宽12位位宽12位位宽8位位宽16位
作者简介：刘景文(1968一)男，天津市人,天津滨海职业学院电子信息工程技术教研宝主任，制教投，颈士，研究领城：控制工程、嵌入式
应用。
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