1 引言
在如今的快速嵌入式系統(tǒng)設計中，目前比較流行的方案是在FPGA內(nèi)集成應用軟件或是軟IP平臺，以簡化工序、加速產(chǎn)品面市日程。為此，很多公司推出了自己的開發(fā)平臺以及相關(guān)CPU的IP核，常見的為兩種：一種是通用型CPU，如xilinx和altera公司的32位以及64位通用CPU核；還有就是專用型的，常見的為51系列單片機的CPU核，但是目前關(guān)于單片機的軟核基本上都是8051的，其他的品種很少。而且8051的速度不是很快，在有些快速的控制場合（如利用單片機來作為usb2.0的控制部件）顯得速度不足，比較著名的actel公司推出的Core8051，運行頻率也只在40 MHz左右。本文介紹了一個非常高速DS80C320單片機軟核的設計。
DS80C320單片機是DALLAS公司推出的一款基于51框架的高性能單片機。
它有如下一些優(yōu)點：
?、?，具有與51系列完全一致的指令系統(tǒng)，能充分兼容所有基于51系列開發(fā)的程序；
?、?，具有比8051更加齊全的外設。相比8051單片機，DS80C320增加了定時器2以及一個增強型串口等；
?、?，具有比8051更好的效率；DS80C320的一個指令周期是4個CLK，8051則是12個，這個區(qū)別尤其是在處理簡單指令的時候優(yōu)勢明顯，例如單周期指令的處理，DS80C320只需要4個CLK，而8051需要12個，據(jù)DALLAS公司的統(tǒng)計表明，在相同時鐘頻率下，DS80C320每條指令的執(zhí)行速度是8051的1.5~3倍，對于典型的應用程序來說，執(zhí)行速度也是8051的2.5倍左右。
?、?，其讀取指令的方式比8051更加適合IP核的特點；將單片機內(nèi)部ROM去掉，完全從外部讀取指令，這種特點作為軟核是很適合的，首先是結(jié)構(gòu)簡單，有利于指令讀取的流水設計，其次可以突破內(nèi)部ROM大小的限制，最后，作為FPGA設計的特點，即使8051的設計，內(nèi)部ROM塊也是放在FPGA芯片的ROM資源里面，與其這樣，還不如直接放到外面更加簡化時序與結(jié)構(gòu)；
2 總體結(jié)構(gòu)劃分
如圖所示為DS80C320軟核的總體功能圖：
圖1 DS80C320功能框圖
本IP核的設計主要按照指令執(zhí)行的流程來安排功能塊，并通過數(shù)據(jù)總線來傳遞數(shù)據(jù)；虛線里面的為CPU核心；首先是ROM模塊，DS80C320并沒有內(nèi)部ROM，所以該模塊功能主要是分析從P端口讀取過來的指令，并通過查找指令的長度以及周期數(shù)目，從而計算出相關(guān)控制信號發(fā)送給CPU控制模塊以便控制指令的讀取；同時，如果指令為LCALL或者ACALL，則可以分析出子程序入口地址并報送PC模塊，引導PC正確跳轉(zhuǎn)；在ROM模塊分析指令的同時，譯碼器DECODER也在進行譯碼的動作，它將根據(jù)指令的8位數(shù)據(jù)分析出三個重要的參數(shù)：ALU的動作類型，該指令的操作數(shù)據(jù)來源以及讀取方式，該指令結(jié)果的存放位置以及存放方式；第一個參數(shù)送給ALU模塊，其余兩個送到CPU控制模塊；CPU控制模塊CPU_CON是整個CPU的核心部分，主要完成兩個作用：ALU執(zhí)行前的讀取數(shù)據(jù)控制，以及ALU執(zhí)行完成之后回寫數(shù)據(jù)控制；該模塊同時也控制著整個CPU的時序，監(jiān)視其他模塊的執(zhí)行情況；ALU則主要是完成計算工作；INteR模塊則是中斷系統(tǒng)的控制模塊，其功能主要完成對各個中斷源所提交的中斷請求的有效判斷以及排序，產(chǎn)生中斷標志并且將判斷結(jié)果以及中斷入口地址編碼提交給ROM模塊，以指示程序跳轉(zhuǎn)，同時還需要負責在中斷完成之后清除中斷標志以及恢復中斷之前的中斷等級； DS80C320有三個定時器和2個串行口，其中定時器2和串行口如果不需要的話可以裁減；至于其他的模塊或者寄存器則在CPU控制模塊的控制下通過數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)；可見，本設計的思路是以CPU_CON控制整個CPU的執(zhí)行以及時序，以INTER控制整個中斷系統(tǒng)，其他寄存器則以數(shù)據(jù)總線來完成數(shù)據(jù)的交換，均勻的分布在數(shù)據(jù)總線的兩側(cè)，結(jié)構(gòu)清晰簡單，規(guī)則化的設計也有利于提高速度，以及方便裁減。
3 一些設計特點
3.1時序設計
在DS80C320單片機的資料里面只有外部接口的時序介紹，對于內(nèi)部的信號執(zhí)行則沒有說明，因此需要重新規(guī)劃，本軟核對DS80C320的時序進行了詳細的分析，按照黑盒子的思想，加入了流水線的技巧，對其時序的設計如下：
對于普通指令的執(zhí)行過程，內(nèi)部時序劃分如下：
圖2 DS80C320內(nèi)部時序圖
這是一條單字節(jié)單周期指令的執(zhí)行過程，在C1的上升沿開始譯碼以及查找本指令的長度周期表，同時，數(shù)據(jù)總線上面是正在回寫的上一條指令的結(jié)果；到了C2的上升沿，數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制權(quán)就回到了本條指令的手里，這個時候地址總線用來發(fā)送需要讀取的數(shù)據(jù)的地址，數(shù)據(jù)總線則做好從發(fā)送數(shù)據(jù)到接收數(shù)據(jù)的準備，這個動作由CPU控制模塊完成；然后在C3的上升沿，被選中模塊根據(jù)地址總線和控制總線讀出相關(guān)數(shù)據(jù)并送入數(shù)據(jù)總線，在這以后的一個時鐘長度的時間里面，ALU接到了數(shù)據(jù)，然后在C4的上升沿，開始執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，同時，CPU控制模塊再次改變地址總線和控制總線的內(nèi)容，并發(fā)布寫信號，提示開始被選中讀數(shù)的模塊放棄對數(shù)據(jù)總線的控制權(quán)，以及被選中的存儲結(jié)果的模塊分析寫入類型，作好接收數(shù)據(jù)的準備，ALU在計算完成之后就將結(jié)果放到數(shù)據(jù)總線，等待下一個周期的C1開始將結(jié)果寫入相關(guān)位置；總之，本設計充分利用了數(shù)據(jù)總線的資源和流水設計的技巧，將本來需要6個時序的操作簡化為4個就完成了，時序緊湊，速度快；同時采用了分布式處理的思想，大大簡化了CPU控制模塊的功能，只發(fā)布控制信號，具體哪個模塊需要執(zhí)行什么功能由該模塊自行根據(jù)控制信號來判斷，有利于避免由于局部功能太過集中而造成的芯片局部過熱的問題；
3.2指令長度周期表的設計
指令長度表主要是用來控制取指令，以及辨別指令代碼和指令參數(shù)；而指令周期表則主要是用來控制指令執(zhí)行的時間，這兩個表可以簡化對指令執(zhí)行的控制。一般這個過程由ROM模塊根據(jù)已經(jīng)讀取的指令來查表，然后根據(jù)查表的結(jié)果和時序情況來處理分析，產(chǎn)生一系列控制信號，并發(fā)送給CPU控制模塊，這樣做的好處主要是避免CPU控制模塊與指令以及數(shù)據(jù)打交道，減少其輸入輸出端口數(shù)目；指令長度周期表的設計是和讀取方式息息相關(guān)的，本設計使用自己單獨構(gòu)建的表，并且一分為二，處理方式是為：index={lsb_3， ir［7:4］}，其中l(wèi)sb_3的含義為：對于指令的低三位（ir（2 downto 0）） 規(guī)則為：8-F=》7，6-7=》6，0-5不變化。兩個表使用相同的讀取方式，這樣既可以簡化結(jié)構(gòu)，將查找空間降低為7位，又可以提高查找速度；
3.3 PC異動編碼的作用
在單片機內(nèi)部，PC是需要不停變化的，不僅所有的跳轉(zhuǎn)類指令都需要改變PC的內(nèi)容，而且中斷類指令還需要完成PC的出棧以及入棧操作；因此，有些模型里面對PC的處理異常復雜，基本上是對每條指令詳細規(guī)定PC的變化；本設計在這方面的處理采用了編碼的技巧來提高速度；首先分析編碼的可能性，雖然很多指令可以改變PC的內(nèi)容，但是對于PC來說，除了正常的加1操作，其它的變化方式只有如下幾種：
其中pmem1和pmem2為指令參數(shù)，來自于ROM模塊；PC_OUT為堆棧中的PC內(nèi)容。
剩下的難題就是由誰來發(fā)出這個編碼，對于所有的跳轉(zhuǎn)類指令以及中斷類指令，每條指令的跳轉(zhuǎn)條件是不相同的，需要一一判斷，本設計就巧妙的利用了ALU模塊來處理這個編碼，ALU模塊計算的時候也是需要對操作進行判斷的，因此，只要添加一小段代碼就可以讓其完成發(fā)送編碼的功能；PC編碼的方式大大簡化了PC模塊的操作，使得程序更加規(guī)整；
3.4 雙向P端口的模擬
這里主要是P0和P2雙向端口的模擬；對于典型的單片機，其P端口一般都是雙向的，但是對于FPGA設計來說，以現(xiàn)在的芯片結(jié)構(gòu)，在FPGA芯片里面實現(xiàn)真正的雙向是不可能的，因此，作為軟核來說，雙向的模擬就一定要處理好；常用的解決辦法有這么幾種：一種是直接將雙向端口改成兩個單向的端口，這樣對于軟核來說使用更加方便，本設計也提供了這種方式供選擇，但是這樣就與標準的單片機不相同了，因此，本設計也提供了一種模擬的雙向口，根據(jù)FPGA設計的特點，改變信號線的方向必須有個切換的過程，這樣就只好仔細的來分析指令時序，看看能不能在P端口使用的間隙來處理這個切換過程；首先是分析指令是否需要使用P端口，比較重要的控制信號有譯碼器發(fā)送的RD_LATCH信號，用來區(qū)分指令是否需要使用P端口，還有來自于CPU_CON的控制總線信息，用來告知P端口需要完成的具體功能；如果需要使用P端口的復用功能，則由相關(guān)的需要使用P端口的模塊（如串行口模塊）發(fā)送請求指令；然后P端口分析所有的使用請求，根據(jù)不同的使用方式來安排不同的使用情況；如果需要雙向切換，則根據(jù)時序以及指令特點來處理，從而順利完成雙向的切換過程。
4 綜合與驗證
使用Altera公司的Quartus II 4.2軟件來綜合，使用Nios Development Board，Cyclone Edit開發(fā)板來進行板上驗證；綜合結(jié)果如下：
其中，前一個版本是沒有內(nèi)部串行口的版本；時序仿真驗證的結(jié)果表明，在上述頻率下該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作；理論上換算成8051的主頻為：83*2.5=207.5M，這基本上可以適應絕大部分需要單片機控制的場合了；仿真測試主要使用了modelsim SE5.8以及quartus4.2的VWF文件測試；板上波形觀測主要使用Agilent公司的 1673G 邏輯分析儀；同時充分利用了開發(fā)板的資源進行了大量的系統(tǒng)級測試；將程序下載到芯片里面，使用邏輯分析觀測到部分指令的執(zhí)行波形為：
圖3 中斷指令波形圖
這是一條中斷返回指令的波形圖，指令代碼為32H，主要觀測PC的變化，PC在這條指令之后從3FH又變化為中斷發(fā)生前的地址25H。
5 結(jié)束語
本設計具有速度快，可裁減，具有良好的可重用性和可移植性，完全兼容DS80C320單片機接口，以及方便使用等優(yōu)點。尤其是專門構(gòu)造的內(nèi)部框架以及時序分配，使得其高速性能在目前的51系列軟核里面基本上是最前列的。因此，可以很方便的應用于需要單片機軟核的FPGA設計以及嵌入式系統(tǒng)設計之中。