基于VLSI 平臺(tái)的AVR 處理器仿真與設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著社會(huì)發(fā)展，工業(yè)控制及人們?nèi)粘Ｉ钤絹?lái)越追求精密控制，為滿足這種需求，微控制器得到了快速發(fā)展。微控制器（Micro Control Unit,MCU）又稱單片微型控制計(jì)算機(jī)或單片機(jī)。隨著大規(guī)模集成電路（LargeScale Integration,LSI）發(fā)展，MCU將原本分散的中央處理器（Central Processor Unit,CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（Ran-dom Access Memory,RAM）、只讀存儲(chǔ)器（Read OnlyMemory,ROM）、輸入/輸出接口（In/Out Ports,I/O）等集中于一塊單晶芯片內(nèi)，形成一種芯片級(jí)計(jì)算系統(tǒng)。MCU主要用于控制，MCU構(gòu)成的系統(tǒng)有實(shí)時(shí)、快速的外部響應(yīng)，能迅速采集到大量數(shù)據(jù)，做出邏輯判斷與推理后實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)調(diào)整與控制。但是隨著對(duì)控制的要求增大，傳統(tǒng)MCU也越來(lái)越顯得捉襟見(jiàn)肘。為此使用專用應(yīng)用集成電路（Application Specific IntegratedCircuit,ASIC）器件在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)MCU相兼容的核心，選用合適的片內(nèi)總線來(lái)連接外設(shè)，構(gòu)成一個(gè)兼容傳統(tǒng)MCU平臺(tái)，這種方法必會(huì)延續(xù)傳統(tǒng)MCU的生命力，使其獲得更大的發(fā)展。

　　1 MCU 簡(jiǎn)介

　　若將4位單片機(jī)的出現(xiàn)作為MCU的起點(diǎn)，MCU的發(fā)展大致可以分為如下階段：初級(jí)階段（1971年-1976年）、8 位低性能階段（1976 年-1980 年）、8 位高性能階段（1980年-1983年）、16位階段（1983年至80年代末）、片上系統(tǒng)（System On-Chip,SoC）階段（1990-）。一個(gè)通用的MCU 由ROM、RAM、GPIO、串行設(shè)備（UART/SPI/IIC）、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（TIMER）等組成，并通過(guò)總線連接，如圖1所示。

　　傳統(tǒng)MCU 都需要一套指令集結(jié)構(gòu)（Instruction SetArchitecture,ISA）。從現(xiàn)階段主流體系結(jié)構(gòu)講，主要分為復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer,CISC）和精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer,RISC）。

　　RISC增加了運(yùn)行速度，大大減小了指令集數(shù)目，方便使用多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，可增加寄存器數(shù)量。AVR單片機(jī)就是一款內(nèi)置FLASH的增強(qiáng)型RISC處理器[4].

　　另外MCU需要將數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中。目前使用最多的兩種存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)分別為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（Von Neumann Architecture）和哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard Ar-chitecture）。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)將處理器指令和數(shù)據(jù)合并在一起存儲(chǔ)，指向同一存儲(chǔ)器的不同物理地址。哈佛結(jié)構(gòu)將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)，中央處理器先從程序指令存儲(chǔ)器中獲得指令譯碼后得到數(shù)據(jù)地址，再由此從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步操作。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常有很高的執(zhí)行效率。Atmel公司的AVR系列就是采用的哈佛結(jié)構(gòu)。

　　AVR單片機(jī)是由Atmel公司在1997年推出的高速8位MCU,內(nèi)置FLASH的增強(qiáng)型RISC處理器，可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部子系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)和控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。大部分AVR片上資源豐富：如E2PROM,PWM,RTC,SPI,USART,TWI,ISP,AD,Analog Comparator,WDT等。AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的FLASH程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持ISP和IAP,便于產(chǎn)品的調(diào)試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的E2PROM可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效地支持使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序，并可像8051單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部RAM.

　　2 FPGA 簡(jiǎn)介

　　ASIC 是指依特定用途而設(shè)計(jì)的特殊規(guī)格邏輯電路。ASIC的最顯著特點(diǎn)是面向特定用戶需求，與通用集成電路相比有更小的體積、更低的功耗、較高的可靠性、較強(qiáng)的保密性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)殚_(kāi)發(fā)較為復(fù)雜，所以研發(fā)周期較長(zhǎng)。

　　隨著電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，ASIC的設(shè)計(jì)方法變得越簡(jiǎn)單，效率越高，可編程ASIC就是一個(gè)很有特色的設(shè)計(jì)分支，它主要利用可編程的集成電路如PLD（Program-mable Read Only Memory）等可編程邏輯電路來(lái)設(shè)計(jì)。

　　主要特點(diǎn)是直接提供軟件設(shè)計(jì)編程，完成ASIC電路功能，而不再通過(guò)集成電路工藝加工后得到成品。這種方法大大降低了開(kāi)發(fā)周期，且縮小了成本。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Ar-ray,FPGA）就是眾多PLD產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的一種，它采用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array,LCA），內(nèi)部包含了可配置的邏輯模塊（Configurable Logic Block,CLB）、輸入/輸出模塊（Input Output Block,IOB）和內(nèi)部連線（Interconnect）。FPGA采用的是小型查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯的，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他的邏輯電路或者I/O,由此構(gòu)成即可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，通過(guò)內(nèi)部連線互相連接。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O之間的聯(lián)系方式，并且最終決定了FPGA所實(shí)現(xiàn)的功能。由于FPGA采用查找表結(jié)構(gòu)，而查找表本質(zhì)是一個(gè)小RAM,所以FPGA內(nèi)部信息掉電消失，上電需要重新進(jìn)行配置。FPGA支持多次重復(fù)編程。相對(duì)于其他的可編程器件，F(xiàn)PGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)最小、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、周期最短的器件之一。采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。同時(shí)FPGA 的內(nèi)部邏輯和I/O 資源非常豐富，可以說(shuō)用FPGA芯片進(jìn)行小批量生產(chǎn)，對(duì)于提高系統(tǒng)集成度、可靠性是很有幫助的。

　　在眾多PLD廠家中，XILINX公司的產(chǎn)品種類豐富，其開(kāi)發(fā)工具ISE為業(yè)界公認(rèn)的最好的開(kāi)發(fā)工具之一，且其芯片的性價(jià)比很高。所以，這里主要使用XILINX公司的產(chǎn)品。XILINX 公司主要FPGA 產(chǎn)品為SPARTAN系列和VIRTEX系列。前者面向低成本應(yīng)用，滿足一般的邏輯設(shè)計(jì)要求，后者面向高性能應(yīng)用，滿足高端要求。文中選擇Virtex-Ⅱ Pro 系列芯片作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　這款芯片含有可編程輸入/輸出塊、可配置邏輯塊、嵌入式RAM塊、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊、專用硬核以及豐富的布線資源。FPGA的設(shè)計(jì)過(guò)程是利用EDA工具將設(shè)計(jì)輸入轉(zhuǎn)化為FPGA芯片可運(yùn)行的過(guò)程，開(kāi)發(fā)的一般流程見(jiàn)圖2.