基于VLSI 平臺(tái)的AVR 處理器仿真與設(shè)計(jì)

　　3 Virtual AVR 實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)對(duì)FPGA和MCU的深入了解，可知使用FPGA的豐富資源來(lái)虛擬出MCU是完全可行的。首先，需設(shè)計(jì)一個(gè)總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。ROM用于存放被執(zhí)行程序及二進(jìn)制代碼，RAM 為運(yùn)行內(nèi)存，用總線將VirtualMCU Core與各外設(shè)相連。使用該結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，無(wú)需對(duì)外設(shè)重復(fù)設(shè)計(jì)，只要使Virtual MCU Core滿足同一接口即可。

　　Virtual MCU Core由幾部分構(gòu)成：算術(shù)邏輯單元，運(yùn)算的主要單元；譯碼器，由二進(jìn)制文件判斷指令類(lèi)型并獲得源操作數(shù)和目的操作數(shù)等；寄存器，用于參加運(yùn)算和存儲(chǔ)某些中間值等。

　　Virtual AVR Core 以ATmega103處理器為參考，核心采用RISC結(jié)構(gòu)，3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭枪鸾Y(jié)構(gòu)，所以分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令存儲(chǔ)器。它的處理器核心如圖4所示。同時(shí)ATmega103共有130條指令，每條指令都是固定結(jié)構(gòu)，為16 位。在該設(shè)計(jì)中，移植了Open-Cores開(kāi)源組織的8位AVR核，它支持3級(jí)流水線，兼容標(biāo)準(zhǔn)AVR微處理器。

　　ALU的實(shí)現(xiàn)采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為控制模塊、加減法模塊和乘除法模塊。3級(jí)流水線設(shè)計(jì)如下：

　　stage0:FETCH,給出指令地址，并讀取相應(yīng)的指令，主要由譯碼機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)；stage1:ALU/MEM,ALU運(yùn)算，或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作，讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，在地址總線上給出正確的值，當(dāng)寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，不僅需要提供正確的地址，還需要在數(shù)據(jù)總線上提供正確的數(shù)據(jù)，主要由運(yùn)算機(jī)構(gòu)和總線控制機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

　　Stage2:LOAD,從數(shù)據(jù)線上獲取數(shù)據(jù)，存至寄存器中，主要由寄存器機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。

　　在一個(gè)系統(tǒng)中光有處理器是不夠的，需要有豐富的外設(shè)來(lái)滿足各種控制要求或數(shù)據(jù)傳輸功能，而片內(nèi)總線便是將處理器與總線連接的重要途徑。文中采用Sili-core的Wishbone總線進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有簡(jiǎn)單、開(kāi)放、高效和方便實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，且完全開(kāi)放并沒(méi)有專利保護(hù)。Wish-bone有四種連接模式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和十字交叉互聯(lián)。文中使用共享總線連接方式，其中充當(dāng)Master為Virtual Core,而外設(shè)為Slaver.

　　為使Virtual Core能與外部器件進(jìn)行通信，需要外設(shè)的支持。外設(shè)按數(shù)據(jù)流類(lèi)型分為串行和并行，常用的串行外設(shè)有SPI、I2C、UART 等，常用的并行外設(shè)有GPIO等。

　　4 硬件支持與測(cè)試

　　硬件環(huán)境主要分為兩部分：第一部分為核心板，用以支持Virtex-Ⅱ Pro的運(yùn)行；第二部分為底板，主要為添加外設(shè)環(huán)境，豐富系統(tǒng)的功能。選用XC2VP50FFG1152芯片作為核心的FPGA,在外圍又添加了DDR和SDRAM,方便自由選擇存儲(chǔ)器類(lèi)型。FP-GA掉電后，內(nèi)容自動(dòng)消失，每上電需要重新配置，為讓FPGA 上電后自動(dòng)配置，需加一片PROM,使用XCF32P.FPGA采用并行主模式。底板上則是增加大量外設(shè)：UART、PS2、VGA、ETHERNET、VIDEO、A/D、D/A、SD、USB等。

　　Virtual Core執(zhí)行的程序都是固化在ROM中，為達(dá)到測(cè)試要求，要多次更新ROM中內(nèi)容，為此使用嵌入式開(kāi)發(fā)套件（Embedded Development Kit,EDK）來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)測(cè)試工具。首先將BRAM配置為雙端口RAM,一端口給Virtual Core來(lái)進(jìn)行讀取操作，一端口給EDK,來(lái)更新程序存儲(chǔ)器。同時(shí)EDK也可提供簡(jiǎn)單的控制任務(wù)，如重啟Virtual Core 等，EDK 使用UART 和計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。為方便控制，設(shè)計(jì)一個(gè)較為簡(jiǎn)單的PC端串口程序，用于將EDK與PC交互，主要是將用戶的命令或文件經(jīng)串口發(fā)送至EDK,如圖5所示。搭建一個(gè)簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)，使用ISE工具，進(jìn)行綜合布局布線，其資源消耗如圖6所示。編寫(xiě)一個(gè)跑馬燈程序，代碼如下：