用CPLD創(chuàng )建具有彈性指令集的微控制器

指令集

指令集也非常類(lèi)似。但是對PicoBlaze等CPLD軟核微控制器來(lái)說(shuō)，指令集是可變化的。比如設計工程師可以根據規范要求增加或刪除指令。表3是AVR RISC微控制器和CPLD PicoBlaze軟核微控制器之間的比較。

目前交付的PicoBlaze支持49條指令，可以在任何幾個(gè)CoolRunner-II CPLD中操作。希望支持的指令品種以及架構版本的選擇都會(huì )影響PicoBlaze的運行速度。

例如，在全指令集和所有指令都保持在CPLD外的情況下所能達到的最高性能是30MHz，但通過(guò)流線(xiàn)型處理指令集或程序可以將性能提高3倍，即 90MHz。事實(shí)上，PicoBlaze微控制器架構充分利用了CoolRunner-II的2個(gè)關(guān)鍵特性，即高執行速度和低功耗。

增加或刪除指令

PicoBlaze微處理器軟核的優(yōu)勢在于具有增加或刪除指令的能力。

例如，只需從VHDL中注釋掉指令就可以完成指令集中指令的調整。如果需要的話(huà)，人們還能把它們從匯編器中去掉，但通常是不要求這樣做的。如果某些應用能夠利用目前提供的這些指令外的其它重要指令，那么還可以增加指令。因此刪除和添加指令都是可行的。大多數編程人員在日常編程中用到的指令數大概是 20條。選擇最常用的20條，把剩余的刪掉，然后再進(jìn)行編程。如果設計工程師發(fā)現了一個(gè)瓶頸型“內部環(huán)路”，并能從專(zhuān)門(mén)為該指定任務(wù)定制的單個(gè)指令中受益，那就能夠編寫(xiě)出以硬件速度運行的VHDL程序。記住，PicoBlaze微控制器能夠利用處理器內部的雙邊沿觸發(fā)器在兩個(gè)時(shí)鐘邊沿完成運算。

DSP例子

為了描述PicoBlaze架構的適應能力，讓我們看一個(gè)DSP的例子。代碼到“位-反轉總線(xiàn)(bit-reverse a bus)”是快速傅里葉變換中的一項基本操作。作為基本算法中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，數據一般從地址總線(xiàn)上驅動(dòng)輸出。用“標準”指令完成這一操作需要多條“屏蔽與翻轉”命令，極易形成處理瓶頸。

表4給出了極象匯編類(lèi)步驟的基本操作來(lái)顯示寄存器內容。算法的起始是帶A-H標簽的一字節數據。該字節首先在內部完成交換 (4次翻轉)，然后再用布爾“與/或”將內部位轉移到目標寄存器，從而生成結果，一次2個(gè)位。這樣處理一遍后，會(huì )在最終寄存器中形成求反的原始內容。根據具體算法的不同，大概需要12到18條指令。在這種情況下，設計工程師不用增加指針和計數器等環(huán)路管理開(kāi)銷(xiāo)就可以完成這一任務(wù)。

如圖4所示，在VHDL中增加了“翻轉”指令，設計經(jīng)過(guò)再編譯，“重新布線(xiàn)”的處理器就增加了這條關(guān)鍵指令。該方法用合成工具再布線(xiàn)手段可以將許多指令“擠壓”進(jìn)某些門(mén)中。這些多位級操作可以歸結為簡(jiǎn)單的CPU再布線(xiàn)，并且最為重要的是合成器正確工作了。

指令增強

前面討論的是指令集優(yōu)化，不過(guò)功能增強也是可以的。請記住，許多微控制器包含有板上功能模塊，這些模塊除了指令集外還另有用途。例如，許多8位微控制器包含內部的外圍設備計數器或定時(shí)器、中斷控制器和DMA電路。對PicoBlaze來(lái)說(shuō)，只要在芯片內部增加合適的外圍設備功能集就可以了，具體取決于所選擇的CoolRunner-II CPLD的密度。表5針對不同的附加功能給出了宏單元運用的一些評估。

性能改進(jìn)

提升設計性能的經(jīng)典方法是進(jìn)行適當的“調整”。觀(guān)察處理器的性能行為，識別處理器耗費時(shí)間的地方，發(fā)現處理器在做什么，然后提出最佳的操作組合來(lái)改進(jìn)性能。最后實(shí)現新版的架構和/或代碼并進(jìn)行再次評估。

實(shí)現架構或代碼的方法之一是采用CoolRunner-II設計套件。許多目標設計都能適合駐留在板上的256-宏單元 XC2C256。板上還留有空閑的引腳位置，可以用來(lái)增加64-宏單元XC264，其信號已經(jīng)與XC256連接在一起了。在64宏單元CPLD中簡(jiǎn)單構筑一個(gè)帶計數器和定時(shí)器的小型硬件性能監示器就可以定時(shí)256宏單元CPLD中不同的代碼部分，并報告執行時(shí)間。這樣，通過(guò)檢查地址空間和定時(shí)的行為，設計工程師就可以知道完成各種任務(wù)所需的時(shí)間。

PicoBlaze交叉匯編器

如前所述，PicoBlaze交叉匯編器具有完好的歸檔資料，因此PicoBlaze設計文件中早已存在匯編代碼與VHDL 之間的直接對應關(guān)系。編譯器是用ANSI-C編寫(xiě)的，并在微軟的匯編器上匯編。該交叉匯編器具有高度的移植性，支持多種輸出文件類(lèi)型。例如，它能產(chǎn)生二進(jìn)制輸出文件，可以英特爾的hex格式裝載進(jìn)外部EPROM。它也能產(chǎn)生適合VHDL仿真器使用的主要建模文件。設計工程師可以用高速仿真功能立即分析匯編器產(chǎn)生的代碼，從而了解代碼的功能和效率。然后將代碼下載到CoolRunner-II設計套件中，就可以看到它們正按期望的值正確工作。