基于FPGA的简易微型计算机结构分析与实现

2.2 多路选择器方式

多路选择器方式是对总线方式的一种改进，可以实现地址总线与数据总线分离，一条指令的执行只需4个机器节拍，极大地提高了运行速度。对图1进行略微改变，如图3所示。其中程序计数器模块duolu_PC及指令寄存器模块duolu_IR不再有三态门，对其控制也相应简化。增加了2个二选一多路选择器。下面介绍其工作原理。

状态s0(第1节拍)时，首先判断有没有加减法指令，若有则发出控制信号，PC值同时送入MAR。如控制字顺序为ErLrS3S2 S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，有加法时，其控制字为“0000 1011 0010 0010”，当S3S2S1S0为0001”时做加法运算;没有加减法时则控制字为0000 0001 0000 0010”。状态s1时，PC值加1，将存储器单元中的内容读人到IR，其控制字为“1000 0000 0000 1100”，注意当给程序计数器置数时，Lp才为l，多路选择器选通由IR米置数。状态s2和s3与总线方式的第4和第5节拍类似。整个周期可简化为判断与置地址、读数、判断与置地址、读数4个步骤。

这里的多路选择器方式仅仅是略微改变，不是指全部，只是提出一种方法。

2.3 功能描述方式

功能描述方式是指充分利用VHDL语言的行为描述能力，从功能描述的角度来实现简易微型计算机。除了调用ROM模块及OUTREG、DLEDDIS、DECL7S外，其余子模块被包含在一个整体C_SIM_CPU模块内，每一个状态实现一定的功能。同样，C_SIM_CPU模块只需4个状态即可实现相应功能。部分程序如以下所示，不再采用控制字的方式。

C_SIM_CPU模块由于强调实现功能，其语句不同用户有着不同写法，不同的综合软件也会生成不同的结构，因而这里不再展开讨论。

2.4 3种方式比较

用QuartusⅡ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式分别进行编程下载，都可以实现一些简单的计算程序，在数码管上显示出地址及相应结果。如果采用1 Hz的clkin频率，动态扫描频率单独用1 kHz时，可以清楚地看到每一过程。

QuartusⅡ4.0对总线方式、多路选择器方式及功能描述方式编译，其LE(逻辑单元)分别为：232、206、143。功能描述方式资源利用最优，但结构复杂。多路选择器方式优于总线方式，不仅是在资源利用上，还是在执行速度上。当然，总线方式对于模块的扩展方面要强于多路选择器方式。

如果想更深入了解其内部结构，可以使用Synplifypro软件观察这3种方式的RTL电路及门级电路。用Synplify pro软件进行综合，显示所需的LE比QuartusⅡ4.0更少。

3 结束语

微型计算机的原理及结构一般不易理解掌握，利用FPGA来学习并构建一个简易微型计算机无疑是一个好方法，对EDA的软硬件学习也是一个不错的选择，可为将来进行相关ASIC没计打下良好的基础。