李 翰 姜彦吉

辽宁工程技术大学软件学院

本文对基于FPGA 的CPU 设计进行了分析，主要包括CPU 指令代码的设计以及电路的设计，对嵌入式CPU 设计工作的相关研究具有一定的参考价值。

1 FPGA 简介

FPGA 是以GAL、PAL、PLD 等可编程器件为基础发展起来的一种现场可编程门阵列。相对于GAL、PAL和PLD，FPGA 具有较大的规模，它能够替代几十甚至几千块通用的IC 芯片，具有处理速度快、存储容量高、I/O 功能强大、功耗低等多种特点。通过FPGA 技术，可以更方便快捷的设计出较为简单的完整CPU 模型机。FPGA 的应用可以有效解决定置电路的缺陷，同时还能突破原有可编程器件对门电路的限制。FPGA 突出的特点使得其可以很好的应用在各类PLD、应用门阵列和中小规模的通用数字集成电路设计工作中。

2 基于FPAGA 的CPU 设计

CPU 设计功能

基于FPGA 的CPU 主要包括指令系统的设计、电路的设计两个方面的内容。本CPU 采用RISC（精简指令集）架构的指令系统，按照功能可以将本CPU 的指令分为计算指令、数据传送指令、位操作指令以及转移指令；电路的设计则主要包括基本电路和主要电路模块的设计两部分内容。

指令代码设计

（1）ALU 运算指令

表1 ALU 立即数指令

表2 数据传送指令

ALU 运算指令的操作数来源有两个，其中一个操作数由累加器A 提供，另一个操作数则是指令字中立即寻址方式所提供的8 位操作数或者RAM，然后在累加器或者RAM 中存入操作数。ALU 运算指令分为两类：立即数指令和双操作数指令。其中立即数指令的操作数分别来自累加器A 以及指令立即寻址方式所提供的8 位操作数，并将指令结果存入累加器A，其中，累加器A 中的操作数属于非运算操作数。……