基于32位RISC架構(gòu)的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

　　摘要:

　　隨著嵌入式領(lǐng)域和信息時(shí)代的蓬勃發(fā)展，微處理器設(shè)計(jì)開(kāi)始被越來(lái)越多的人關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始設(shè)計(jì)微處理器。客觀的講，這些微處理器在硬件結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，缺乏匯編器、編譯器、操作系統(tǒng)以及各種I/O接口電路的支持，應(yīng)用場(chǎng)合單一。另外，由于這些微處理器支持的指令集在格式上各有不同，因此造成了大量的設(shè)計(jì)資源浪費(fèi)。我們旨在設(shè)計(jì)一套完備的高性能嵌入式SoC(System on Chip)系統(tǒng)，用以減少重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，更好地普及高等院校的微處理器設(shè)計(jì)教育，吸引更多的人才專(zhuān)注于高性能微處理器研發(fā);同時(shí)也提供給企業(yè)免費(fèi)的SoC軟核，用于低成本的工業(yè)控制。

　　1. 系統(tǒng)原理和技術(shù)特點(diǎn)

　　Minisys是東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一款基于32位RISC架構(gòu)的SoC系統(tǒng)。如圖1所示，Minisys包含一個(gè)以32位RISC型處理器為核心，附帶多個(gè)IO控制器的SoC芯片和相關(guān)的系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括以便于上層軟件編程而提供的系統(tǒng)功能調(diào)用接口為主體的BIOS、鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序、以及Minisys匯編器(編譯器)。其中，Minisys SoC芯片功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　Minisys CPU有32個(gè)32位通用寄存器，32位數(shù)據(jù)線和16位地址線。IO部件包括一個(gè)4位7段LED數(shù)碼管控制器，一個(gè)4×4鍵盤(pán)控制器，一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)32位系統(tǒng)定時(shí)器，一個(gè)16位PWM控制器，一個(gè)看門(mén)狗電路和一個(gè)簡(jiǎn)易UART串行通信控制器。

　　Minisys借鑒了MIPS指令集，指令定長(zhǎng)32位，共有31條常用定點(diǎn)指令(不包括硬件乘除、硬件浮點(diǎn)指令)。32個(gè)32位寄存器除了5個(gè)寄存器被固定功能外，其余的都可以做通用寄存器。

　　Minisys采用哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，片內(nèi)包含4KB ROM和4KB RAM，都采用字節(jié)編制，但以32位為一個(gè)存儲(chǔ)單元，即他們和CPU之間的數(shù)據(jù)交換都以32位為單位進(jìn)行。Minisys的I/O空間編址采用與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式，即將整個(gè)地址空間分為兩個(gè)部分，一部分作為訪問(wèn)RAM的存儲(chǔ)空間，另一部分作為訪問(wèn)IO的I/O空間。因此，對(duì)I/O部件的訪問(wèn)采用與存儲(chǔ)器訪問(wèn)相同的指令格式。

　　系統(tǒng)內(nèi)部提供兩個(gè)中斷源的控制電路，兩個(gè)中斷源為INT0和INT1，其中INT0的優(yōu)先級(jí)高于INT1，允許高優(yōu)先級(jí)中斷嵌套。系統(tǒng)提供用于堆棧操作的SP寄存器，但沒(méi)有提供壓棧和退棧指令，因此對(duì)于堆棧的操作需要用軟件實(shí)現(xiàn)。堆棧操作的原子性由程序員負(fù)責(zé)。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

　　Minisys SoC的設(shè)計(jì)包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中，硬件設(shè)計(jì)部分包括以下幾個(gè)部分：Minisys CPU的設(shè)計(jì)、接口部件的設(shè)計(jì)、BIOS的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)即為匯編器的設(shè)計(jì)。

　　在Minisys CPU設(shè)計(jì)中，主要考慮指令系統(tǒng)的確定、CPU結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、CPU寄存器組的組織與實(shí)現(xiàn)以及CPU的各個(gè)功能部件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹Minisys CPU的各個(gè)功能部件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

　　Minisysy CPU的內(nèi)部功能部件被劃分為5歌基本單元：取指單元、譯碼單元、控制單元、執(zhí)行單元和存儲(chǔ)單元。在設(shè)計(jì)CPU的時(shí)候，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，因此，以上這些單元是分別在相應(yīng)的5歌模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后用一個(gè)頂層模塊將這5個(gè)模塊按照邏輯上的需要連接起來(lái)，成為一個(gè)完整的CPU。

　　取指單元

　　取指單元主要完成以下工作：到程序ROM中取指令;對(duì)PC值進(jìn)行更新;完成各種跳轉(zhuǎn)指令的PC修改功能。本設(shè)計(jì)是在Altera公司的Quartus II環(huán)境下完成的，因此，在設(shè)計(jì)中使用了Altera公司已經(jīng)設(shè)計(jì)好的rom宏模塊。

　　譯碼單元

　　譯碼單元的主要工作就是完成執(zhí)行指令前的操作數(shù)準(zhǔn)備工作，分析Minisys指令集得知，這些數(shù)據(jù)或者在寄存器中，或者是立即數(shù)，因此在譯碼單元中最重要的工作就是實(shí)現(xiàn)寄存器組和完成寄存器的讀寫(xiě)并根據(jù)指令譯碼結(jié)果，決定向其他部件送一路還是兩路數(shù)據(jù)。

　　控制單元

　　控制單元是整個(gè)CPU的控制核心，各種控制信號(hào)都是從這里發(fā)出來(lái)的，而各種信號(hào)的值都是通過(guò)操作碼和功能碼的不同組合和一些約定來(lái)決定的。在設(shè)計(jì)中用SRCB來(lái)標(biāo)志操作數(shù)的來(lái)源，具體操作如表1和表2所示。

表1 操作數(shù)A的來(lái)源標(biāo)志

表2 操作數(shù)B的來(lái)源標(biāo)志

　　執(zhí)行單元

　　執(zhí)行單元需要完成的工作歸納起來(lái)包括以下幾個(gè)方面：完成邏輯運(yùn)算、完成算術(shù)運(yùn)算、完成移位運(yùn)算、完成比較轉(zhuǎn)移的PC值運(yùn)算和完成比較后賦值操作。

　　存儲(chǔ)單元

　　存儲(chǔ)單元首先要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)RAM，并完成對(duì)數(shù)據(jù)RAM的讀寫(xiě)操作。與指令ROM一樣，數(shù)據(jù)RAM也使用Altera公司提供的宏模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。Minisys擁有4KB的數(shù)據(jù)RAM，4個(gè)字節(jié)為一個(gè)讀寫(xiě)單元，因此，它的RAM和ROM的初始化文件格式相同。