PicoBlaze處理器IP Core的原理與應(yīng)用

詳細(xì)分析8位微處理器IP core PicoBlaze的結(jié)構(gòu)、原理與設(shè)計(jì)方案；介紹PicoBlaze的指令集和調(diào)試工具pblazeIDE，討論P(yáng)icoBlaze的編程方案和應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例；列舉幾種PicoBlaze的應(yīng)用方案。

1 概述

PicoBlaze 8位微處理器是Xilinx公司為Virtex系列FPGA、Spartan-Iitxi系列FPGA和CoolRunner-II系列CPLD器件設(shè)計(jì)嵌入式專用IP Core。它解決了常量編碼可編程狀態(tài)機(jī)（KCPSM）的問題。這一模塊只占用SpartanIIE的76個(gè)小區(qū)（slice），占最小的XC2S50E器件9%的資源，占XC2S300E器件不到2%的資源。在這一模塊中還包括一個(gè)用于存儲(chǔ)指令的由Block RAM組成的ROM，最多可存儲(chǔ)256條指令。PicoBlaze只用了如此少的資源，但其速度卻可達(dá)到40MIPS以上。

PicoBlaze提供49個(gè)不同的指令，16個(gè)寄存器（CPLD為8個(gè)），256個(gè)直接或間接的可設(shè)定地址的端口，1個(gè)可屏蔽的、速率為35MIPS的中斷。它的性能超過了傳統(tǒng)獨(dú)立元器件組成的微處理器，而且成本低，使得PicoBlaze在數(shù)據(jù)處理和控制算法領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景 。由于可編程部分也完成嵌入，PicoBlaze可與子程序和外圍設(shè)備結(jié)合起來完成特殊的設(shè)計(jì)。其基本應(yīng)用框架如圖1所示。

PicoBlaze模塊由VHDL語言設(shè)計(jì)，不需要預(yù)編譯，可直接由布局布線工具嵌入到容量大一點(diǎn)的器件中；可以認(rèn)為PicoBlaze幾乎不占資源，而且一個(gè)設(shè)計(jì)中可以包括多個(gè)PicoBlaze。PicoBlaze適用于復(fù)雜的但對時(shí)間要求不太高的系統(tǒng)中，并可以簡華設(shè)計(jì)。

圖1 PicoBlaze處理器的IP Core應(yīng)用框架

2 PicoBlaze原理與結(jié)構(gòu)分析

PicoBlaze 8位微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PicoBlaze處理器IP Core由全局寄存器、計(jì)算邏輯單元（ALU）、程序流控制標(biāo)志和復(fù)位邏輯、輸入/輸出（I/O）、中斷控制器等幾大部分構(gòu)成。

全局寄存器：16個(gè)8位全局寄存器，s0～sf。寄存器的操作是非常靈活的；沒有為特殊任務(wù)保留寄存器，任何寄存器的優(yōu)先權(quán)都是一樣的。

算術(shù)邏輯單元（ALU）：提供了8位處理器需要的所有簡單操作。執(zhí)行所有的操作都是用任意一個(gè)寄存器提供的操作數(shù)完成。若操作需兩個(gè)操作數(shù)，則有另一寄存器指定或在指令中嵌入一8位常量值。在不增加程序大小的前提下，指不定期任意常量值，增強(qiáng)了簡單的指令特性。更明白地說，ADD1與INCREMENT指令是等價(jià)的。若操作超過8位，則有一選項(xiàng)（增加或減少）可供選擇。二進(jìn)制操作碼（LOAD、AND、OR、XOR）可操作和測試二進(jìn)制數(shù)，還包括SHIFT和ROTATE指令集合。

程序流控制標(biāo)志：ALU操作后的結(jié)果影響ZERO和CARRY兩個(gè)標(biāo)記。用有條件的或無條件的程序流控制指令決定程序執(zhí)行的順序。JUMP指令指定在程序空間內(nèi)的絕對地址。CALL指令將程序定位到用一段代碼寫的子程序的絕對地址，同時(shí)將返回地址壓棧。嵌套CALL指令使用的棧為15層，對于程序大小足夠了。

復(fù)位邏輯：復(fù)位信號強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)，即程序從地址00開始執(zhí)行，中斷被屏蔽，狀態(tài)標(biāo)記和堆棧也同時(shí)復(fù)位，但寄存器中內(nèi)容不受影響。

圖2 PicoBlaze處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

??? 輸入/輸出（I/O）：PicoBlaze提供256個(gè)輸入端口和256個(gè)輸出端口。由端口總線提供一個(gè)8位地址值與一個(gè)READ或WRITE選通脈沖信號，一起指定訪問端口。這個(gè)端口地址值或?yàn)橐淮_定值或由任意一寄存器中內(nèi)容指定。當(dāng)訪問一由分布式或塊狀RAM組成的內(nèi)存時(shí)，最好用直接尋址。當(dāng)進(jìn)行輸入操作時(shí)，輸入端口上的值被輸出一個(gè)READ_STROBE輸出脈沖時(shí)，即表示進(jìn)行了一次輸入操作。??? *Xilinx針對Virtex-E器件特別設(shè)計(jì)了KCPSM2模塊，提供1024個(gè)地址，且操作32個(gè)寄存器。

中斷控制器：PicoBlaze提供一中斷輸入信號。只要用一些簡單的組合邏輯，多個(gè)信號就可進(jìn)行組合并被應(yīng)用于這一中斷。程序中可定義此中斷是否被屏蔽，默認(rèn)值是中斷被屏蔽。一被激活的中斷信號使程序執(zhí)行“CALL FF”指令（FF即256，程序存儲(chǔ)器的最后一個(gè)位置），然后設(shè)計(jì)者為此定義的放在此處的一段程序被執(zhí)行。一般在此地址放一JUMP指令，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。中斷進(jìn)程屏蔽其它中斷，RETURNI指令保證在中斷程序結(jié)束后，標(biāo)記和控制指令回到原先的狀態(tài)。

表1 PicoBlaze處理器指令集

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3 PicoBlaze的指令集和調(diào)試器

表1列舉了所有代表十六進(jìn)制的PicoBlaze操作碼的指令，其中：

①“X”和“Y”代表寄存器，“s”，范圍為0～F；

②“kk”代表常量，“aa”代表地址，“pp”代表端口地址，范圍均為00～FF。

pBlazIDE(Integrated Development Environment)是PicoBlaze匯編程序的編輯、調(diào)試、匯編集成環(huán)境。利用它可以方便地仿真所寫程序的輸入輸出、寄存器內(nèi)值的變化及程序指令的順序執(zhí)行過程，便于檢查程序的錯(cuò)誤。PicoBlaze處理器IP Core應(yīng)用的VHDL源代碼和調(diào)試器pBlazeIDE可以從Xilinx網(wǎng)站上直接下載。

4 PicoBlaze的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于Spartan-II和Virtex-E器件的PicoBlaze處理器IP Core，外掛一個(gè)可存儲(chǔ)256條指令的RAM，共同工作。若是用戶需要更多的程序存儲(chǔ)空間以便執(zhí)行更加復(fù)雜的操作，有以下幾種解決方案。

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*若用戶的程序超過了256條指令，則可以考慮將設(shè)計(jì)分解為幾個(gè)過程，每一個(gè)過程由一個(gè)單獨(dú)的PicoBlaze模塊（每個(gè)擁有自己的RAM）完成。在一些設(shè)計(jì)中，以一個(gè)PicoBlaze為主（Master），其它一個(gè)或多個(gè)PicoBlaze為輔（Slave）。雙端口分布式存儲(chǔ)器是在處理器間交換數(shù)據(jù)的一個(gè)很好的選擇。

*可選擇將超過256個(gè)指令的程序分解到兩個(gè)或多個(gè)塊狀RAM中，用一個(gè)選擇開關(guān)來選擇存儲(chǔ)了要執(zhí)行的指令的RAM。最簡單的是使用一個(gè)被一觸發(fā)器輸出控制的二選一選擇器來選擇RAM，如圖3所示。

這種方法的缺點(diǎn)是：二路選擇器占用8個(gè)slice，且加大了程序執(zhí)行的延時(shí)，降低了程序最大執(zhí)行速率。一個(gè)更好的方法是將二路選擇器放到RAM中，一條指令被分別存放在兩個(gè)512×8的RAM中，用switch信號和8位地址信號組成9位信號，選擇要執(zhí)行的指令。圖4列舉了一個(gè)利用PicoBlaze實(shí)現(xiàn)控制四個(gè)七段數(shù)據(jù)管顯示的例子，左邊兩個(gè)從0變到99，右邊情形相同，變化的間隔均為1s。但同時(shí)刻只有一個(gè)計(jì)數(shù)器增加，而選擇哪一個(gè)計(jì)數(shù)器增加則由DIP switch輸入控制。

圖4 PicoBlaze處理器的IP Core應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

結(jié)語

PicoBlaze是一個(gè)典型的8位微處理器。與傳統(tǒng)的8位MCU相比，它是一個(gè)由VHDL實(shí)現(xiàn)的軟處理器IP Core，可以在各種FPGA和CoolRunnerII CPLD上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)靈活方便；因此，PicoBlaze將在基于可編程邏輯和MCU的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮積極的作用。其較高的處理性能和較少的資源占用，預(yù)示其具有更加廣泛的應(yīng)用前景。