一种VHDL单片机总线协议

Question

我正在用VHDL设计一个微控制器。我正在理解每个组件(ALU/Memory.)的角色，以及如何实现它们的一些想法。我基本上想要实现Von架构。

但我不明白的是:组件是如何通信的？我不知道怎样设计我的公共汽车。因此，我正在寻找一个简单的总线实现和协议。

我尚未解决的问题：

• 对于每件事都有一条总线，还是将不同类型的数据分开，是更简单吗？
• 每个组件如何知道什么时候该“听”和什么时候该“写”？

重点是设计的简单性(因此也是实现的简单性)。我不在乎速度。我想从头开始做每件事。没有预先制作的软核)。

我不知道这在现阶段是否重要，但它不需要运行“真正的”编译代码，而是与现有的任何东西都有任何兼容性。另外，在什么时候我开始考虑我的“程序集”指令？我想我会把它们直接装入内存中。

谢谢你的帮助。

编辑: I最终从皮卡布莱中获得了(很多)灵感，因为它是：

• 简单易懂
• 根据BSD牌照

具体来说，我首先给它添加了一些说明。

Answer 1

由于您主要关心的似乎是学习微控制器的设计，一个好的方法可能是看看一些早期的微处理器模型。例如，Z80：

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• 来源：http://landley.net/history/mirror/cpm/z80.html
• 另一个很好的Z80 HW描述：http://www.msxarchive.nl/pub/msx/mirrors/msx2.com/zaks/z80prg02.htm

为了回答你的第一个问题(单总线和多总线)，这个芯片使用一条总线来处理所有的事情，而且它的设计非常简单。你可能会用到类似的东西。为了明确术语，单个系统总线可以由子总线(它们也称为总线)组成。图显示由双向数据总线(8位宽)和地址总线(16位宽)组成的系统总线。

要回答您的第二个问题(组件如何知道它们何时处于活动状态)，在上面的图像中，您可以看到两个不同的信号:内存请求和I/O请求。一次只有一个是活动的，当I/O请求处于活动状态时，也就是当外围设备可能被访问时。

如果你没有很多外围设备，你不需要使用所有的16个地址行(有些Z80有一个8位的I/O空间)。每个外围设备将通过这个空间中的一些地址访问。例如，在一个非常简单的系统中：

• 计时器外设可以使用从00h到03h的地址。
• uart的地址可以从08h到0Fh。

在这个简单的例子中，您需要提供两个电路:一个是检测地址在00-03h范围内，另一个是08-0Fh。如果在每个检测器的输出和I/O请求信号之间执行逻辑“和”，那么您将有两个信号指示何时访问每个外围设备。你的外围硬件应该主要听这个信号。

最后，关于您的指令问题，微处理器内部的数据流将有几个阶段。这通常被称为处理器的数据路径。常见的做法是将阶段划分为：

1. 读取:从程序内存读取指令
2. 解码:检查指令中的特定位，并决定它是什么类型的指令。
3. 执行:执行指令所要求的操作(例如，ALU操作)
4. 内存:对于某些说明，您需要进行数据读或写。
5. 写回:用受指令影响的新值更新CPU寄存器

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来源：https://www.cs.umd.edu/class/fall2001/cmsc411/projects/DLX/proj.html

您处理单个指令的大部分工作将在解码和执行阶段完成。至于datapath控件，您将需要一个状态机，它通过五个阶段控制操作序列。这个功能块通常称为控制单元。在这里，你有几个选择：

1. 你的状态机可以按顺序依次运行各个阶段，一次一个。一个指令需要几个时钟周期才能执行。
2. 类似于上面的选择，但是如果您想让事情变得更简单、更快，那么在一个周期中组合两个或多个阶段。
3. 命令的执行过程。这可以极大地提高速度，但也许留到以后比较好，因为事情会变得相当复杂。

至于实现，我建议将函数块保持为单独的实体，并确保为每个块编写一个testbench。如果你写那些遗嘱，你的工作会进展得更快。

至于代码块，Register非常容易编写。如果您对指令布局和操作代码有一个清晰的概念，那么指令解码器也是很容易的。如果您知道ALU需要执行的操作，那么ALU也是很容易的。

首先，我会为指令解码器和寄存器文件编写测试程序。然后，我会编写一个脚本来运行所有的测试工作台，并自动检查它们的结果。只有这样，我才会专注于功能块本身的实现。

Answer 2

基本上，片上总线将使用并行总线进行地址和数据的输入和输出.通常会有某种仲裁者来决定哪个组件被允许写入总线。因此，一个共同的方法是：

• 要写入的组件将将连接到仲裁器的数据线设置为“高”或“低”，以表示它希望访问总线。
• 仲裁者决定谁可以进入公共汽车。
• 仲裁器设置应该允许在访问总线旁边的组件的芯片选择。

通常，您的片上总线将使用主从概念，因此只有主程序才能访问总线。奴隶们只等待主人的请求。

我喜欢AMBA AHB/APB的设计，但这对你的应用程序来说可能有点过头了。您可以查看这个书，寻找有关如何实现总线的想法。