微程序控制器的結(jié)構(gòu)及嵌入式FPU微指令控制模塊設(shè)計

1 前言

設(shè)計研究適用于國防和民用需求的高性能、高精度的微處理器（MPU），已經(jīng)變得十分重要和迫切。為了處理大量實數(shù)數(shù)據(jù)，并考慮計算精度和實時性，需要將MPU單獨分離出來一部分進行浮點運算，像現(xiàn)在的高檔數(shù)字信號處理芯片（DSP）都含有一個FPU，所以研制高性能的浮點運算單元IP具有重要意義[1]。

微程序的概念和原理是由劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)教研室教授M.V.Wilks在1951年第一次提出的[2]，但隨后15年，由于控制存儲器的問題制約了微程序技術(shù)的發(fā)展。由于LSI和VLSI? 控制存儲器的發(fā)展，微程序在微型機中已經(jīng)開始起著重要作用。

微程序控制器的性能是提高處理速度的關(guān)鍵因素之一。本論文關(guān)于微程序控制器的研究是基于哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）微電子中心32位FPU的設(shè)計，其采用了微指令控制的方法，用門級完成相關(guān)模塊的設(shè)計，通過布局布線后的結(jié)果看出，該設(shè)計規(guī)模小、速度高，非常適合嵌入式應(yīng)用。

2 微程序控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計

在微處理器中產(chǎn)生控制信號一般由微程序和狀態(tài)機兩種方法實現(xiàn)，其中微程序?qū)儆诠碳?。微程序控制器輸出的微指令用來控制整個FPU工作[3]。一條微程序一般由操作控制和順序控制兩大部分組成?？刂撇糠钟脕砉芾砗椭笓]FPU的工作[4]。微程序的順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。微程序控制器有其自身的優(yōu)點，比如：具有規(guī)整性、靈活性和可維護性等一系列優(yōu)點。本設(shè)計的微程序控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微程序控制器主要包括三部分，用于產(chǎn)生下一條微指令的微地址生成模塊、用于存儲微指令的存儲器（此為一塊Rom）和用于指揮FPU工作的控制總線，其中主要是前兩部分，下面分別給與介紹：

2.1 微地址生成模塊介紹

微地址生成模塊主要目的就是產(chǎn)生下一條微指令的地址。地址線寬為8bit，下一條微地址由如下幾條產(chǎn)生（如圖2所示）：

1.ExcMiptr信號是用來選擇由于一條FPU指令執(zhí)行過程中產(chǎn)生各種異常（包括結(jié)果不精確異常、上溢、下溢和無效異常）對應(yīng)的異常操作與控制的入口地址。

2.nextMiptr信號是用于選擇一條FPU指令執(zhí)行過程正常情況下，產(chǎn)生下一條微指令的地址。

3. RomEntry信號是用于根據(jù)FPU指令選擇不同指令的入口地址，本設(shè)計把單精度和雙精度的加、減、乘、除、乘加等指令設(shè)計有不同的控制入口地址。

4.RomMiptr信號是微地址默認的?？康刂?，即在復(fù)位和FPU空閑時輸出的默認地址

5.feedback信號是用于選擇用于跳轉(zhuǎn)微指令地址，例如在本設(shè)計中用于乘加、乘減指令的跳轉(zhuǎn)控制。

如上這些地址信號的控制都來源于微指令的控制位。其中是否產(chǎn)生分支的控制如圖3所示。

圖3 微指令分支控制信號生成圖