基于FPGA的8085A CPU结构分析

2011-03-31 19:33:23来源: elecfans
    1 引 言

  现场可编程门阵列FPGA 门数众多,人们可以将合适的IP软核或其他形式的核作为嵌入式模块装在自己的设计中。但通常IP软核需要门数较多的FPGA 器件支持,作为学习来说的FPGA 芯片往往资源有限,需要节约FPGA 的成本与面积; 并且没必要实现所有功能, 只要做出关键部分及重要结构,明白其运行机理,又能与真实的CPU 紧密相联即可。实验箱上采用的FPGA 芯片为A ltera 公司的EPF10K20TC144- 4。这里以Inte l的8085A 为例来说明8位计算机的工作原理。

  2 8085A CPU 设计及实现

  2. 1 FPGA 芯片及外围电路简介

  A ltera的FLEX10K 器件是工业界首例嵌入式PLD, 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20带有144个LAB (逻辑阵列块) 和1152 个逻辑单元, 最大I/O数目为189。另外, 芯片中嵌入式陈列块( EAB)有6个, 其RAM 总位数为12288。

  实验涉及到FPGA 芯片的外围部分包括控制开关、2* 8键盘输入、6个数码管输出、8个输入端口、8个输出端口及2个中断开关等。主要用来增添程序设计的灵活性及形象性, 使其可现场调试, 验证结果, 避免单纯用软件仿真的不足。外围电路控制模块及结构可参见文献[ 1] 。

  现场调试时可以通过控制开关, 手动从键盘输入相应的地址及数据(通过数码管显示), 输错可以修改; 用写使能开关给RAM 写入相应程序。当输入完所有程序后, 按下运行开关即可执行程序, 在数码管上显示地址、数据及最终结果。控制开关用于配合键盘通过手动方式输入程序, 可以形象化的现场编程。在软件下载后不使用计算机, 通过按钮、键盘就能将程序输入到RAM 中, 然后运行, 显示出结果。

  2. 2 CPU模块

  2. 2. 1 内部结构

  CPU 模块的内部结构如图1所示。微型计算机由下面几个部分组成: 8位通用寄存器H、L, 16位程序计数器( PC ) , 16位堆栈指示器( SP), 一个加1 /减1 地址锁存器( ADD /ADR ), 8 位NL 寄存器( NL) , 8位中断时间寄存器( T IMER ) ; 算术逻辑单元(ALU ), 累加器(A ), 标志寄存器( FR ), 数据选择器( SEL) ; 指令寄存器( IR) , 控制器( CON ) , 4选1多路选择器(MUX) , 存储地址寄存器(MAR ) , 8 位数据寄存器(MDR) ; 输入数据寄存器( INDT ), 输出数据寄存器( OUTDT )等部分组成。其中标志寄存器有4位, 分别是: 进位位( Cy)、零位( Z)、符号位( S)、奇偶位( P) , 微机通过检测这些标志位的1位或多位来判断程序是否需要转移。

  微型计算机CPU 结构图

  

 

  图1 微型计算机CPU 结构图

  图中字母L为数据载入控制信号, E 为三态输出选通信号, clk为时钟信号, c lr为清零信号, W 为数据载入PC信号, Cpc为控制PC 加1信号, S3- S0为控制ALU 进行加减、逻辑运算或移位运算的选择信号, Iadr、Dadr为加1 /减1地址锁存器加1减1控制信号, Isp、DSP为堆栈指示器的加1减1 控制信号, E ram、W ram 为读写RAM 控制信号。另外, 累加器(A ) , 标志寄存器( FR )增加了专用的清零信号。

  所有的控制、时钟及清零信号由控制器( CON)模块给出, 而CON 模块由外部时钟clkin、清零信号rst及使能信号enable 控制。存储地址寄存器(MAR )用来给RAM输送地址, 从RAM 读指令和数据, 也可以给RAM写数据。Altera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6个嵌入式陈列块, 其RAM 总位数为12288。这里RAM 可配置为1024 * 8( 1024个地址, 8位数据) ,直接调用参数可设置模块库中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件, 用文本编辑器编辑m if文件来初始化数据。如果不用FPGA 的内部RAM, 可外接64K的8位RAM, 即寻址空间为64K。

  2. 2. 2 指令系统

  内部工作原理和指令系统紧密相联。本微机共有54条指令, 可分为8类, 即数据传送指令、算术与逻辑运算指令、移位指令、增量与减量指令、堆栈操作及中断指令、转移指令、子程序调用及返回指令、其它指令等。指令系统与8080 /8085的指令系统表基本一致, 标志位的变化(无辅助进位位) 与其相同, 可参见文献。

  由于资源所限, 没有使用8085A 所有的寄存器及某些功能, 如B、C、D、E 寄存器等, 但是这并不妨碍本微机能够实现其绝大多数功能。从时钟周期数(状态数)来说, 比8085A 更少, 也就是说速度更快。

  数据传送指令有14条(一个n表示一个8位二进制数据): 3个状态数的movah (将H 的内容存入A )、movha、mov la(将A 的内容存入L)、mova;l 4状态的mvian(将数据n存入A)、mv ihn、mv iln、mvitn(将数据n 存入t ime寄存器, 此指令为新增) ; 5 状态的movma(将A 的内容装入HL所指的地址)、movam; 4状态数的sphl(将HL寄存器的内容装入SP); 6状态的inn( n所指地址的内容给A )、outn; 4状态的cd _out(A内容给PC+ 1, 停机, 此指令为新增)等。

  算术与逻辑运算指令有13 条: 3 状态的cmc( Cy符号取反)、stc( Cy置1) 、cma(寄存器A 内容取反); 4状态的addh(将A 与H 相加后给A )、adin(将A 与n相加后给A)、subh、su in、cmph(将A 与H相比较(只影响符号) )、ADCh(将A 与H 及符号Cy相加后给A )、sbbh、anah(将A 与H 寄存器的内容相与后给A )、orah、xrah(将A 与H 异或后给A )等。

[1] [2]

关键字:FPGA  8085A  CPU结构

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0331/article_1986.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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