《Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）》连载45：PicoBlaze 8 位微控制器 控制器, 开发, 连载

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第12章 PicoBlaze 8 位微控制器
PicoBlaze 是一个8 位的微控制器，非常适合于Spartan 系列及Virtex 系列FPGA。还可以用于CPLD，但是需要外部加SRAM 存储器以运行程序。它又被称为常数化的可编程状态机KCPSM（(K)constant Coded Programmable State Machine），之所以这样称呼它，是因为PicoBlaze 非常适合实现复杂的、实时性要求不高的状态机。
一般情况下，实现一个PicoBlaze 微控制器，仅仅需要96 个SLICE（192 逻辑单元）和一个BRAM（Block RAM），最大可以寻址1K 指令空间（每条指令18 位宽）。其性能可以达到44～76DMIPS，取决于其所用的FPGA 及速度等级。
PicoBlaze 可以扩展最多256 个8 位的输入口和256 个8 位的输出口，可以通过这些输入/输出口方便地实现与用户逻辑的连接。另外，它还具有一个中断输入。
PicoBlaze 以VHDL/Verilog 源码提供给用户，占用非常少的资源，不会像51 核等CPU一样停产。而且它完全采用同步设计，容易在各种FPGA 中实现。
12.1 PicoBlaze 特性
PicoBlaze 微控制器框图如图12-1 所示，它的特性介绍如下。



图12-1 PicoBlaze 微控制器框图
16 个8 位的通用数据寄存器。指令空间：1K（18 位）片上存储器，上电自动装入。ALU：字节宽度，具有进位carry 及零zero 标志位。64 个字节的片上暂存器Scratchpad RAM。最多可以扩展256 个输入口和256 个输出口。31（10 位）个可供CALL/RETURN 调用的堆栈。每条指令在两个时钟周期内完成，在Virtex2-Pro、Virtex-4、Virtex-5、Virtex 6高性能FPGA中，可以达到200MHz（100MIPS）。快速中断响应，最差为5个时钟周期。在Spartan、Virtex2、Virtex-II Pro、Virtex4/5/6中，仅需要大约96个SLICE和一个BRAM。支持汇编和指令集仿真。12.2 PicoBlaze硬件基本结构
接下来介绍PicoBlaze微控制器的硬件基本结构，包括控制器各功能模块、信号、中断、暂存器、输入输出端口以及指令存储器的不同配置结构。
12.2.1 PicoBlaze功能模块说明
下面对图12-1中所示PicoBlaze的各功能模块进行简要说明。
(1) 通用寄存器（General Purpose Register）：PicoBlaze有16个通用寄存器，被定义为s0～sF，为方便程序的编写，这些寄存器可以用汇编命令重新命名。各寄存器用途一样，没有优先级，也没有专用的累加器。
(2) 1K寻址空间：每条指令都是18位宽，这些指令与FPGA其他逻辑设计一同编译，程序在配置过程中自动装入BRAM运行。
(3) 算术逻辑单元（ALU）：ALU单元执行所有微控制器运算，内容如下。
基本的算术操作，例如加法和减法。位运算，例如与、异或等操作。算术比较和位测试操作。移位和旋转操作。所有具有一个操作数的操作，操作数被置于一个指定的寄存器中（sX），结果也被存放在此寄存器中。如果某条指令需要两个操作数，则第二个操作数被置于另外一个寄存器sY或者是一个立即数kk中。
(4) 标志位（Flag）：ALU的操作会影响标志位RO和CARRY。ZERO表示最后一个操作结果为零，CARRY的结果预示着各种各样的情况，取决于最后一条指令的执行结果。
(5) 中断使能标志（Interrupt_Enable）：使能中断输入Interrupt。
(6) 64字节暂存器（Scratchpad RAM）：PicoBlaze微控制器提供64字节的片上数据暂存空间，通过STORE和FETCH指令直接或间接寻址。STORE指令将通用寄存器sX中的内容写到64个空间中的某个地址，FETCH的操作与STORE相反，读出64个空间中某个数到寄存器sX中。此RAM的6位地址可以用立即数指定，也可以通过一个通用寄存器指定，仅低6位有效，地址范围00～3F。
(7) 输入/输出（Input/Output）：PORT_ID指定输入/输出的地址，它为8位，因此可以扩展256个输入口和256个输出口。输入时，PicoBlaze从输入口IN_PORT 读数据存入sX 中； 输出时， PicoBlaze 将sX 中数据送到OUT_PORT。
(8) 程序计数器（Program Counter，PC）：PC 指向下一条将要执行的指令。默认情况下，PC 自动指向下一条指令所存储的位置。仅JUMP 、CALL、RETURN、RETURNI、中断和复位指令会改变这种默认行为。PC 不会直接被
应用程序改变。PC 为10 位宽，因此最大寻址空间为1024，当PC 达到3FF hex 时，会返回到00 地址。
(9) 程序流控制（Program Flow Control）：程序的默认执行顺序可以通过改变条件或非条件流控指令来改变。JUMP 可以跳转到1024 个空间的任何位置。
CALL 指令指定了子程序的起始地址， 同时返回地址被保存在CALL/RETURN 堆栈中。如果程序中使能了中断，那么，当中断发生时，程序的返回地址也会保存在CALL/RETURN 堆栈中，同时中断向量3FF(Hex)装入PC。中断用RETURNI 返回，而不是RETURN。
(10) 堆栈（CALL/RETURN）：CALL/RETURN 堆栈最大可以存储31 个指令地址，允许31 级子程序嵌套。由于中断也会占用此堆栈，因此，如果程序中使能了中断，则至少需要保留一级空间给中断用。此堆栈是一个轮转型的结
构，如果堆栈满，再装入地址时，最早进入的地址就会溢出。没有指令可以控制堆栈或堆栈的指针，也没有程序空间供堆栈应用。
(11) 中断（Interrupt）：PicoBlaze 提供一个中断输入，且这个中断是异步的，它可以发生在指令周期的任何时候。然而，一般的设计规则建议用时钟同步PicoBlaze 的所有输入。中断响应时间小于5 个时钟周期。
(12) 复位（Reset）：PicoBlaze 在FPGA 配置完成后立即自动复位。复位强制PicoBlaze 器进入初始状态，PC＝0，标志位清零，中断禁止，CALL/RETURN堆栈也被复位。但是数据寄存器和Scrachpad RAM 不受复位的影响。
12.2.2 PicoBlaze 接口信号
本节介绍PicoBlaze 微控制器的接口信号，如图12-2 所示。



图12-2 PicoBlaze 微控制器接口连接
IN_PORT[7:0]：数据输入。在执行INPUT 指令期间，有效的输入数据将出现在此端口。INTERRUPT：中断输入。如果中断使能位被应用程序置位，那么，当此中断输入口有一个持续至少2 个时钟周期的高电平，则PicoBlaze 会进入中断服务程序。如果中断使能标志位清零，则PicoBlaze 会忽略中断引脚上的信号。RESET：复位输入。为了复位微控制器，产生一个复位事件，只需要使RESET口输入一个至少一个时钟宽度的高电平。随着FPGA配置的完成，会自动产生一个复位信号。CLK：时钟输入。CLK最高频率由ISE综合结果决定。没有占空比的要求。OUT_PORT[7:0]：数据输出。在执行OUTPUT指令期间，输出数据出现在此端口，并持续两个时钟周期。FPGA内部逻辑可以在CLK上升沿当WRITE_STROBE为高时采样该数据。PORT_ID[7:0]：输出端口地址。在执行INPUT/OUTPUT指令期间，此端口信号保持两个时钟周期。READ_STROBE：读控制信号。此信号为高，在执行INPUT指令期间，表明IN_PORT[7:0]已经被采样到指定的数据寄存器中。该信号在双周期输入指令INPUT的第二个时钟周期有效。该信号常被用来作为读FIFO操作的握手信号。WRITE_STROBE：写控制信号。在执行OUTPUT指令期间，此信号为高时OUT_PORT[7:0]数据有效。此信号在OUTPUT指令的第二个CLK周期有效。在FPGA内，当WRITE_STROBE有效时在CLK上升沿采样OUT_PORT[7:0]数据。INTERRUPT_ACK：中断响应输出。此信号为高时，响应中断事件。在双周期的中断事件的第二个时钟周期此信号有效。它经常被用来清除中断源INTERRUPT的输入。12.2.3 PicoBlaze指令集
PicoBlaze微控制器的指令包括程序控制指令、算术指令、逻辑指令、移位和旋转指令、中断指令、存储指令和输入/输出指令等，如图12-3所示。



图12-3 PicoBlaze指令集
子程序调用和返回支持深度为31的堆栈。x和y表示寄存器，范围是0～F。kk代表立即数，范围是00～FF。aaa代表地址，范围是000～3FF。pp代表端口地址，范围是00～FF。ss代表暂存器地址，范围是00～3F。
表12-1是PicoBlaze微控制器各指令操作的简要说明。这些指令都是按照KCPSM3的语法（括号中为pBlazIDE的语法）进行说明，每条指令包括了基本描述、功能描述以及对进位位和零标志位的影响。表12-1 PicoBlaze指令列表






sX：16个通用寄存器中的任何一个，s0～sF。sY：16个通用寄存器中的任何一个，s0～sF。aaa：10 位地址，为立即数，或者为一个三位的16 进制数000～3FF，或者为标号。kk：8 位端口地址，或者为立即数，或者为两位16 进制数00～FF。pp：8 位端口地址，或者为立即数，或者为两位16 进制数00～FF。ss：6 位暂存器地址，或者为立即数，或者为两位16 进制数00～3F。RAM[n]：地址为n 的暂存器内容。TOS：存在于堆栈顶的值。