基于太陽(yáng)能LED照明控制系統的處理器設計

　　3 指令集設計

　　在本系統中, 處理器要對AD 以及按鍵的輸入量進(jìn)行處理。這些輸入數據位寬小且處理過(guò)程為常規運算,不需要進(jìn)行使用高級數學(xué)算法進(jìn)行繁雜的數據運算。所以本設計采用精簡(jiǎn)指令集(RISC) 的設計方法。

　　精簡(jiǎn)指令集具如下特點(diǎn)為: 指令系統的規模較小且復雜程度小; 操作數預存在寄存器中; 指令格式統一; 避免不必要的存儲器訪(fǎng)問(wèn)。

　　采用RISC 指令集設計可直接減小芯片面積, 節省成本, 減少開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)與維護開(kāi)銷(xiāo)。是嵌入式設備處理器的主流設計方法。

　　本處理器具有load/ store 結構, 也就是說(shuō)與主存儲器通信只能通過(guò)LOAD 和STORE 指令進(jìn)行。運算操作數只與寄存器組有關(guān), 而并不在主存儲器上。TOP2的指令分為4 類(lèi): 運算指令、寄存器指令、跳轉指令、存儲器指令, 如表1 所示。

　　針對太陽(yáng)能LED 照明控制系統的處理器指令集設計考慮到功耗及面積成本, 只包含6 條運算指令, 沒(méi)有連續移位指令和硬件乘法器。經(jīng)測試本指令集可滿(mǎn)足上一節所述對處理器的功能需求。

　　作為RISC 體系的特點(diǎn)之一就是指令格式簡(jiǎn)單規則, 筆者遵循這一原則, 指令集中的11 條指令均為4 位操作碼和12 位操作目標位 。

　　4 處理器結構

　　處理器主體結構如圖2 所示, 下面具體介紹處理器各部分。

　　4. 1 存儲結構

　　本處理器的存儲結構采用哈佛( Harvard) 結構。這是嵌入式處理器中被廣泛采用的結構, 如ARM、MIPS 等。特別適用于采用RISC 指令集的處理器。哈佛結構的主要特點(diǎn)是: 程序指令存儲通路與數據指令存儲通路物理上是分離的。使得兩個(gè)存儲器可以獨立編址、獨立訪(fǎng)問(wèn), 從而避免了程序訪(fǎng)問(wèn)與數據訪(fǎng)問(wèn)之間產(chǎn)生的相關(guān)性沖突。這中并行設計架構相當于提高了1 倍的吞吐量, 從而提高了處理器性能。

　　4. 2 流水線(xiàn)結構

　　基于哈佛存儲結構, 處理器核心的設計采用5 級流水線(xiàn)( pipe2line) 結構 分別是: 取指令級( IF) 、譯碼級( ID) 、寄存器訪(fǎng)問(wèn)級( LO) 、運算級( EX) 、回寫(xiě)級(WB) 。流水線(xiàn)的設計方法在高性能大規模系統中得到廣泛應用, 其實(shí)際上就是把規模較大、層次較多的組合邏輯分為幾個(gè)級, 在每一級插入寄存器并暫存中間數據。這樣做大大地增加了時(shí)鐘周期的利用率, 最大限度地發(fā)揮電路潛能。在不提高時(shí)鐘頻率的前提下提高了處理器效率, 可以實(shí)現在同等效率下相對于非流水線(xiàn)設計功率可降低25 倍 , 實(shí)現低功耗設計。

　　4. 3 片內其他模塊

　　整個(gè)芯片是圍繞著(zhù)流水線(xiàn)核心實(shí)現。根據系統需求, 處理器要實(shí)現精確計時(shí)以及脈沖充電方式。為了實(shí)現這兩種功能, 在流水線(xiàn)核心的基礎上添加了兩個(gè)可獨立流水線(xiàn)運行的模塊: TIMER( 定時(shí)器) 和PWM( 脈寬調制) 。T IMER 模塊是16 位定時(shí)器, 時(shí)鐘源采用32 768 Hz晶振。其可以準確分辨1 s 時(shí)間單位, 誤差低, 可為本系統長(cháng)年室外穩定工作提供支持。定時(shí)器可以供中斷和查詢(xún)2 種操作方式, 以供系統后期的靈活配置。PWM 是脈沖調制模塊。其功能是產(chǎn)生占空比可變的方波, 以驅動(dòng)大功率MOS 管進(jìn)行脈沖充電。其占空比變化范圍為0~ 100% , 步長(cháng)1%。本模塊減輕了處理器流水線(xiàn)部分的負擔, 使脈沖驅動(dòng)可與其他控制信號并行執行, 增強了系統的穩定性。

　　處理器片內還包含通用I/ O 控制單元。此單元完成對管腳數據方向的控制, 并為輸出數據提供保持功能, 對輸入數據進(jìn)行同步。此單元對外部異步信號域與內部同步信號域進(jìn)行隔離。避免產(chǎn)生信號毛刺, 簡(jiǎn)化時(shí)序分析。

　　5 仿真與實(shí)現

　　本設計通過(guò)FPGA 實(shí)現了所需求功能。設計流程如圖3 所示。

　　5. 1 仿真

　　在太陽(yáng)能LED 照明控制系統中, 控制器所需要面對的指令流主要有三種: 運算指令流( 順序執行) 、分支跳轉指令流、循環(huán)指令流。

　　5. 1. 1 運算操作指令流( 加法)

　　完成加法指令需要的步驟包括:

　　( 1) 準備2 個(gè)操作數。這2 個(gè)操作數如果已經(jīng)存在于寄存器組中則可以忽略此步驟, 如果其中一個(gè)或兩個(gè)是立即數或者在存儲器中, 則需要MOV 指令或LOAD 指令完成準備過(guò)程。

　　( 2) 進(jìn)行運算。一條ALU 加操作。

　　( 3) 寫(xiě)回存儲器。根據不同的需求會(huì )編譯出不同的指令組合, 這里以?xún)闪⒓磾迪嗉咏Y果存放在寄存器中為例進(jìn)行加法操作。這需要首先執行兩條MOVD 指令準備操作數, 之后進(jìn)行加法操作。需要注意的是, 在流水線(xiàn)中由于數據相關(guān)性問(wèn)題, 在MOVD 指令之后ADD 指令不能馬上進(jìn)入流水線(xiàn)執行。