PicoBlaze处理器的基本结构

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                    　　由于PicoBlaze的紧凑型特点，因此在FPGA逻辑器件中实现的PicoBlaze内核与CPLD所实现的内核有些区别，主要是可提供的通用寄存器数不同。FPGA型PicoBlaze资源丰富，可提供16个16位通用寄存器，15～31级堆栈，16位或18位指令系统，地址线宽度可达10位，即具有1 Kb的寻址空间。而CPLD型PicoBlaze(为了区别，将该类型称为“CoolBlaze”)一般仅提供8个8位通用寄存器、4级堆栈和16位指令系统。另外，FPGA型PicoBlaze的程序存储器可由FPGA的块存储器来实现，这样不需要再有其他外围存储器器件。同时，程序(指令)可通过FPGA的位流(Bits STream)配置文件配置到块存储器中。而CPLD型PicoBlaze由于没有块存储器结构，所以必须有程序存储器这样的外围器件与其一起工作，其他结构(包括指令系统)基本相同。
　　由于两种类型的PicoBlaze 8位处理器逻辑结构基本相同，因此利用CPLD型PicoBlaze(CoolBlaze)来详细地分析8位处理器逻辑结构和指令系统，并设计一个小型CPU。图1和2图所示为构成PicoBlaze处理器的基本逻辑结构。




　　图1 基于FPGA的PicoBlaze 8位处理器逻辑结构




　　图2 基于CPLD的PicoBlaze(CoolBlaze)8位处理器逻辑结构
　　其中包括如下部分:
　　(1)通用寄存器(General Purpose Registers，GPR)：在CoolBlaze(PicoBlaze)中共有8个8位的通用寄存器，分别定义为s0～s7。这些寄存器可用于数据的读／写、输入／输出、运算等操作，并且可以全部提供给用户，没有为特定的操作而保留任何寄存器(即没有特殊功能寄存器)。
　　(2) 算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，ALU)：算术逻辑单元提供所有简单的8位运算，所有的操作由任何寄存器提供的操作数来完成，其结果返回到相同的寄存器。运算中所需要的第2个操作数可以是指令中所包含的8位常数或指定的寄存器。在该单元中，还可完成布尔操作，如装入(LOAD)、逻辑与(AND)、逻辑或(OR)和逻辑异或(XOR)，并具有灵活的移位操作功能。
　　(3) 标志／程序流程控制(Flags／Program Flow Control)：算术逻辑单元的运算结果影响零(ZREO)和进位(CARRY)标志，当使用条件和非条件程序流程控制指令时，这些条件决定了程序执行的顺序。跳转(JUMP)指令将无条件地执行所指定地址(程序地址空间内)一的程序；而子程序调用(CALL)和程序返回(RETURN)在改变程序执行顺序的同时，需要保护转移时的地址(现场)，以便程序执行完毕后的恢复。
　　(4) 输入／输出：PicoBlaze处理器可提供256个输入口和256个输出口，8位的输入／输出口地址译码器和读／写控制信号可以一起访问这些输入／输出口。这些口地址可以是程序中的绝对地址，也可以是任何一个寄存器的内容所指定的间接地址。当访问由外部存储器所构成的块存储器时，使用间接寻址是比较理想的方法。
　　在INPUT操作周期内，输入口上的值(数据)可传送到8个寄存器中的任何一个。输入操作由READ_STROBE脉冲信号来指示，该控制信号表示数据已由PicoBlaze获取。
　　在OUTPUT操作周期内，寄存器中的内容可以传送到输出口。WRITE_STROBE脉冲信号表示执行输出操作，该控制信号可用来设计输出接口逻辑，以便确保有效数据传送到外部系统。
　　输入／输出时序如图3所示。




　　图3 PicoBlaze处理器的输入出时序
　　FF指令，同时将自动地保护当前的零(ZERO)和进位(CARRY)标志，并禁止响应其他的中断。特定的中断返回RETURNI指令用来保证中断服务子程序的结束，恢复标志和控制状态。中断操作时序如图4所示。




　　图4 PicoBlaze处理器的中断操作时序