1 引 言

　　現場可編程門陣列FPGA 門數眾多，人們可以將合適的IP軟核或其他形式的核作為嵌入式模塊裝在自己的設計中。但通常IP軟核需要門數較多的FPGA 器件支持，作為學習來說的FPGA 芯片往往資源有限，需要節約FPGA 的成本與面積; 并且沒必要實現所有功能， 只要做出關鍵部分及重要結構，明白其運行機理，又能與真實的CPU 緊密相聯即可。實驗箱上采用的FPGA 芯片為A ltera 公司的EPF10K20TC144- 4。這里以Inte l的8085A 為例來說明8位計算機的工作原理。

　　2 8085A CPU 設計及實現

　　2. 1 FPGA 芯片及外圍電路簡介

　　A ltera的FLEX10K 器件是工業界首例嵌入式PLD， 基于可重配置CMOS SRAM 元件。EPF10K20帶有144個LAB (邏輯陣列塊) 和1152 個邏輯單元， 最大I/O數目為189。另外， 芯片中嵌入式陳列塊( EAB)有6個， 其RAM 總位數為12288。

　　實驗涉及到FPGA 芯片的外圍部分包括控制開關、2* 8鍵盤輸入、6個數碼管輸出、8個輸入端口、8個輸出端口及2個中斷開關等。主要用來增添程序設計的靈活性及形象性， 使其可現場調試， 驗證結果， 避免單純用軟件仿真的不足。外圍電路控制模塊及結構可參見文獻[ 1] 。

　　現場調試時可以通過控制開關， 手動從鍵盤輸入相應的地址及數據(通過數碼管顯示)， 輸錯可以修改; 用寫使能開關給RAM 寫入相應程序。當輸入完所有程序后， 按下運行開關即可執行程序， 在數碼管上顯示地址、數據及最終結果。控制開關用于配合鍵盤通過手動方式輸入程序， 可以形象化的現場編程。在軟件下載后不使用計算機， 通過按鈕、鍵盤就能將程序輸入到RAM 中， 然后運行， 顯示出結果。

　　2. 2 CPU模塊

　　2. 2. 1 內部結構

　　CPU 模塊的內部結構如圖1所示。微型計算機由下面幾個部分組成: 8位通用寄存器H、L， 16位程序計數器( PC ) ， 16位堆棧指示器( SP)， 一個加1 /減1 地址鎖存器( ADD /ADR )， 8 位NL 寄存器( NL) ， 8位中斷時間寄存器( T IMER ) ; 算術邏輯單元(ALU )， 累加器(A )， 標志寄存器( FR )， 數據選擇器( SEL) ; 指令寄存器( IR) ， 控制器( CON ) ， 4選1多路選擇器(MUX) ， 存儲地址寄存器(MAR ) ， 8 位數據寄存器(MDR) ; 輸入數據寄存器( INDT )， 輸出數據寄存器( OUTDT )等部分組成。其中標志寄存器有4位， 分別是: 進位位( Cy)、零位( Z)、符號位( S)、奇偶位( P) ， 微機通過檢測這些標志位的1位或多位來判斷程序是否需要轉移。

　　微型計算機CPU 結構圖

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　　圖1 微型計算機CPU 結構圖

　　圖中字母L為數據載入控制信號， E 為三態輸出選通信號， clk為時鐘信號， c lr為清零信號， W 為數據載入PC信號， Cpc為控制PC 加1信號， S3- S0為控制ALU 進行加減、邏輯運算或移位運算的選擇信號， Iadr、Dadr為加1 /減1地址鎖存器加1減1控制信號， Isp、DSP為堆棧指示器的加1減1 控制信號， E ram、W ram 為讀寫RAM 控制信號。另外， 累加器(A ) ， 標志寄存器( FR )增加了專用的清零信號。

　　所有的控制、時鐘及清零信號由控制器( CON)模塊給出， 而CON 模塊由外部時鐘clkin、清零信號rst及使能信號enable 控制。存儲地址寄存器(MAR )用來給RAM輸送地址， 從RAM 讀指令和數據， 也可以給RAM寫數據。Altera公司的EPF10K20TC144 - 4 芯片中有6個嵌入式陳列塊， 其RAM 總位數為12288。這里RAM 可配置為1024 * 8( 1024個地址， 8位數據) ，直接調用參數可設置模塊庫中LPM _RAM _ IO 的LPM_FILE 文件， 用文本編輯器編輯m if文件來初始化數據。如果不用FPGA 的內部RAM， 可外接64K的8位RAM， 即尋址空間為64K。

　　2. 2. 2 指令系統

　　內部工作原理和指令系統緊密相聯。本微機共有54條指令， 可分為8類， 即數據傳送指令、算術與邏輯運算指令、移位指令、增量與減量指令、堆棧操作及中斷指令、轉移指令、子程序調用及返回指令、其它指令等。指令系統與8080 /8085的指令系統表基本一致， 標志位的變化(無輔助進位位) 與其相同， 可參見文獻。

　　由于資源所限， 沒有使用8085A 所有的寄存器及某些功能， 如B、C、D、E 寄存器等， 但是這并不妨礙本微機能夠實現其絕大多數功能。從時鐘周期數(狀態數)來說， 比8085A 更少， 也就是說速度更快。

　　數據傳送指令有14條(一個n表示一個8位二進制數據): 3個狀態數的movah (將H 的內容存入A )、movha、mov la(將A 的內容存入L)、mova;l 4狀態的mvian(將數據n存入A)、mv ihn、mv iln、mvitn(將數據n 存入t ime寄存器， 此指令為新增) ; 5 狀態的movma(將A 的內容裝入HL所指的地址)、movam; 4狀態數的sphl(將HL寄存器的內容裝入SP); 6狀態的inn( n所指地址的內容給A )、outn; 4狀態的cd _out(A內容給PC+ 1， 停機， 此指令為新增)等。

　　算術與邏輯運算指令有13 條: 3 狀態的cmc( Cy符號取反)、stc( Cy置1) 、cma(寄存器A 內容取反); 4狀態的addh(將A 與H 相加后給A )、adin(將A 與n相加后給A)、subh、su in、cmph(將A 與H相比較(只影響符號) )、ADCh(將A 與H 及符號Cy相加后給A )、sbbh、anah(將A 與H 寄存器的內容相與后給A )、orah、xrah(將A 與H 異或后給A )等。