基于嵌入式計(jì)算機(jī)原理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉明江

摘要：基于嵌入式計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一套非常優(yōu)秀的系統(tǒng)。它可以用軟件開發(fā)設(shè)計(jì)自己的8位模型機(jī)，可以直觀的觀察數(shù)據(jù)的流動(dòng)和存儲(chǔ)過程，可以通過接口擴(kuò)展來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)接口的各種試驗(yàn)，可以模擬多種8位CPU的運(yùn)行（如INTEL86系列、RISC及C51系列等），可以脫離硬件用軟件模擬仿真全部的硬件實(shí)現(xiàn)等等。本論文從不同方面闡述基于嵌入式計(jì)算機(jī)原理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望為研究計(jì)算機(jī)原理仿真系統(tǒng)的專家和學(xué)者提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；計(jì)算機(jī)原理；仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0146-01

基于嵌入式計(jì)算機(jī)組成原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將會(huì)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用教學(xué)中的重要工具。它是一套既能實(shí)現(xiàn)組成基本計(jì)算機(jī)模型，又能夠靈活的組成各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)處理模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它還可以模擬幾種典型的單片機(jī)以及8088等CPU的運(yùn)行模式及指令系統(tǒng)，從而進(jìn)行接口實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)，和CPU的結(jié)構(gòu)，微程序設(shè)計(jì)，滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科研開發(fā)的仿真過程。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

一個(gè)完善的組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還要有一個(gè)強(qiáng)大的軟件開發(fā)平臺(tái)。這個(gè)軟件可以用來(lái)指定所用的指令集或者設(shè)計(jì)自己的指令集。編譯用戶輸入的源程序。還要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行軟件的模擬仿真，使其脫離實(shí)驗(yàn)硬件也可以獨(dú)立運(yùn)行。同時(shí)，可以通過軟件來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下載，程序的裝入等等。還有就是要有一個(gè)強(qiáng)大的幫助系統(tǒng)。這是必不可少的，所以設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮到軟件功能的獨(dú)立性和其的強(qiáng)大功能[1]。

2 采用獨(dú)立功能模塊的全硬件的設(shè)計(jì)方案

2.1 獨(dú)立功能模塊的設(shè)計(jì)思想及模塊化分

模塊化是按照功能將一個(gè)軟件或硬件切分成許多部分單獨(dú)開發(fā)，然后再組裝起來(lái)，每一個(gè)部分即為模塊。其中每個(gè)部分都有自己的功能，不依賴于其它部分，也就是說沒一部分在功能上是獨(dú)立的。同時(shí)，每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)是彼此獨(dú)立的，每個(gè)部分都有其自己的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是利于控制質(zhì)量、利于多人合作、利于擴(kuò)充功能，利于項(xiàng)目的管理、利于降低設(shè)計(jì)度、有利于加快設(shè)計(jì)速度因?yàn)槎鄠€(gè)模塊可以同時(shí)進(jìn)行、有利于模塊的復(fù)用等等[2]。

2.2 微處理器

控制器有微程序控制器和硬布線控制器兩種。硬布線控制的特點(diǎn)是：組合邏輯電路由門電路組成，處理速度快，當(dāng)指令數(shù)量多時(shí)，設(shè)計(jì)難度大。但它的靈活性小不適合本次設(shè)計(jì)的要求。微程序控制器用規(guī)整的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，代替了不規(guī)整的、復(fù)雜的硬聯(lián)邏輯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。更重要的是利于擴(kuò)展，靈活、通用性強(qiáng)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路不變的前提下，可以通過修改微程序來(lái)改變指令的執(zhí)行方式，同時(shí)增加新的微程序來(lái)增加新指令，甚至可以用更換一套微程序的方法來(lái)更換指令系統(tǒng)。這正是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的。下面闡述微程序的原理、設(shè)計(jì)步驟、和作者的設(shè)計(jì)方案[3]。

微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把所有的控制命令信號(hào)匯集在一起編碼成所謂的微指令，再由微指令組成微程序，存放在一個(gè)EPROM里。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一條又一條地讀出這些微指令，產(chǎn)生執(zhí)行部件所需要的各種控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件進(jìn)行所規(guī)定的操作。這里將存儲(chǔ)邏輯和程序技術(shù)引入到CPU中。這里微指令是構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位，也稱微信號(hào)，通常指那些直接作用于部件或控制門電路的命令。而執(zhí)行部件接受微命令所執(zhí)行的操作叫做微操作[4]。

2.3 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）

ALU根據(jù)其功能可以劃分為多個(gè)檔次。普通的只能實(shí)現(xiàn)基本的算數(shù)邏輯運(yùn)算工能，符點(diǎn)及乘除等運(yùn)算通過軟件來(lái)完成。這樣的ALU設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但運(yùn)行速度慢。高檔的可以支持算數(shù)邏輯運(yùn)算外還可以支持符點(diǎn)向量及標(biāo)量等運(yùn)算。這些運(yùn)算通過硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)復(fù)雜但有很高的效率。輸入輸出都是8位。其中操作碼、輸入A、輸入B合進(jìn)位C加在一起共23位一起作為ALU ROM的輸入地址線。當(dāng)給定一組操作碼、輸入AB及進(jìn)為C后，就唯一確定了一個(gè)存儲(chǔ)單元，而這個(gè)存儲(chǔ)單元存放的正是相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果。也就是說把ROM做成了一張查找表。例如加法的操作碼是000001 操作數(shù)AB分別為000001和000010 那ALU就要查找000001000001000010單元的內(nèi)容（000011）輸出完成運(yùn)算[5]。

2.4 通信模塊

通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和PC機(jī)的通信，負(fù)責(zé)從PC機(jī)端讀取信息，如從PC機(jī)讀取程序和數(shù)據(jù)分別下載到實(shí)驗(yàn)臺(tái)端的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如從PC機(jī)讀取控制命令等等。同時(shí)，通信模塊還負(fù)責(zé)把實(shí)驗(yàn)臺(tái)端的狀態(tài)信息上傳給PC機(jī)。

在通信模塊作者的設(shè)計(jì)方案試采用單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通信。通信的方式主要有串口通信（即打印口）、并口通信和USB口通信。設(shè)計(jì)時(shí)首選的是串口進(jìn)行通信，串口簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)[6]。

3 采用EDA技術(shù)功能集成的硬件設(shè)計(jì)方案

功能集成的設(shè)計(jì)就是作者運(yùn)用EDA技術(shù)，使用高性能的EDA綜合開發(fā)工具，按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。采用自頂向下的思想，首相對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析劃分，并將CPU的動(dòng)能集成到一片F(xiàn)PGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）中，用硬件描述語(yǔ)言HDL完成CPU功能行為的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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