基于8086 CPU的单芯片计算机系统的设计

系统总线在接收到外设的中断请求之后，会向CPU 提出中断申请，一旦接收到中断响应，要向外设传送中断响应信号，同时修改译码单元，选通该外设，保证在第二个中断响应期间能将中断类型号通过总线传送给CPU，使得CPU 能成功跳转到中断服务子程序。

DMA 控制器在执行数据传输时，需要掌握AHB 总线的控制权，向片上存储器或者总线上其他外设发出地址和控制信号，即相当于AMBA 的主设备；另一方面，在DMA 控制器启动工作之前，CPU 需要对其进行预处理操作，以使其按照特定的配置参数进行工作，在这个初始化阶段，CPU 是AHB 总线上的主设备，DMA 控制器属于从设备。基于DMA控制器的这种两面性，在总线设计中配备了专门的DMA 通道与其相匹配：CPU 正常工作时，

DMA 扮演从设备的角色，接受CPU 对其的初始化；利用HLDA 作仲裁信号，当CPU 响应外设DMA 请求时（即HLDA 为高电平），让出总线控制权给外设，利用DMA 数据通道传输数据，传输的协议同样遵从AMBA 协议。总线的时序控制模块状态如图5 所示。



3.3 存储单元的接口设计

存储器子系统包括一个RAM 和一个ROM，8086CPU 支持20 位地址总线，具有1M 字节存储空间，分为RAM 区和ROM 区。本文利用开发板的片上ROM 资源配置成16k*16 的格式作为存储器中的ROM 单元，采用DE2 开发板上的8M 的SDRAM 配置成256K*16 位总线格式代替存储器中的RAM 单元。

在各种随机存储器件中，SDRAM 的价格低，体积小，速度快，容量大，是比较理想的器件。但SDRAM 的控制逻辑比较复杂，对时序要求也十分严格，这就要求有一个专门的控制器：控制SDRAM 的初始化，刷新和预冲以及基本的读写操作。同时，需要匹配SDRAM控制器和8086 CPU 的读写时序。该接口具体实现的状态机如图6 所示。



T1：当RDY 为高电平时，首先确定是进行读还是写操作，这时DONE 为0：读：设置WR=0，RD=1； 写：设置WR=1，RD=0。

T2：当DONE 信号为高电平，表示可以进行读/写操作，跳转到T3。

T3：CPU 通过SDRAM 控制器对SDRAM 进行读写操作。

T4：当低字节有效信号bwl_n 为高电平时，执行低字节传输。

T5：当高字节有效信号bwh_n 为高电平时，执行高字节传输。

T6：CPU 完成读写操作，相关控制信号清零。

其中，DONE 信号用于指示是否读写完成，只有DONE 为高电平时表示读写完成，才能进行下次读写操作。RDY 信号表示SDRAM 是否做好准备接受CPU 的访问,由SDRAM的写请求信号（IN_REQ =1）和读有效信号（OUT_VALID =1 ）共同控制，其产生过程伪码如表5 所示。



根据单芯片计算机系统级设计的组成结构，调用已经编写完成的8086 IP 软核、8255 IP软核、SDRAM 控制器、SDRAM 模型IS42S16400、AHB 总线 IP 软核以及译码器IP 软核。

连接相应的输入输出端口，同时对8086 相关的输入端口进行赋值，将未使用的输出端口悬空，完成单芯片计算机系统的RTL 级设计。

4 单芯片计算机系统的仿真与验证

单芯片计算机的RTL 级设计只是全部设计流程的一部分，为保证最终设计的成功，必须对其进行全面的软件仿真与硬件验证，包括搭建测试平台，设计测试方案以及分析仿真结果，实现FPGA 验证。

4.1 测试方案的设计

在包含8255 应用电路的单芯片计算机系统搭建完成的基础上，要求实现八个开关量控制八个LED灯亮灭的功能。将八个开关量连接8255 的PA0～PA7；将八个LED 灯驱动电路连接8255 的PC0～PC7。在8086 CPU 的控制下，通过总线读取连接在8255 PA 口的八个开关量，将开关值送往SDRAM 存储，再从SDRAM 读取开关量发送到8255 PC 口，使其驱动八个LED 灯的亮或灭。

4.2 仿真结果分析

单芯片计算机最小集的RTL 级仿真波形，如图7 所示。在8086 CPU 的控制下，8255接口读取连接在8255 PA 口的八个开关量11000010 以后，将其发送到8255 的PC 口，驱动输出逻辑值11000010。



使用QuartusII 软件成功编译设计，将布局布线生成的结果下载到FPGA 中，得到与设计等效的实际电路，对实际的电路用测试系统进行测试，从而验证设计的正确性。将FPGA的验证结果经逻辑分析仪读取显示，如图8 所示。



5 结束语

本论文在基于集成电路设计方法学的指导下，探讨了一种基于8086 CPU 核的单芯片计算机平台的架构，研究了其与AMBA 总线、SDRAM、8255 等外围IP 的集成。在此基础上，设计基于8086 IP 软核的单芯片计算机系统，并实现了FPGA 功能演示。在后续的工作中，将考虑进一步扩展CPU 外围接口IP 软核；集成DMA 控制器，实现VGA 显示功能；将DOS 操作系统加入8086 单芯片计算机平台，并开发在操作系统下的设备驱动程序和应用软件。