基于FPGA的嵌入式PLC微處理器設(shè)計(jì)

前言

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)是近幾年來(lái)出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用的大規(guī)模集成電路器件，它的特點(diǎn)是直接面向用戶(hù)，具有極大的靈活性和通用性使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性好等。

　　硬件描述語(yǔ)言(VHDL)是用來(lái)描述硬件電路的功能，信號(hào)連接關(guān)系及時(shí)序關(guān)系的高級(jí)硬件編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)者可根據(jù)VHDL語(yǔ)言法則，對(duì)系統(tǒng)的邏輯進(jìn)行行為描述，然后通過(guò)綜合工具進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯、優(yōu)化，用仿真工具進(jìn)行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時(shí)序仿真，可在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定、符合設(shè)計(jì)要求的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路。

　　該處理器采用了TOP—DOWN的層次網(wǎng)絡(luò)模塊化設(shè)計(jì)方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要邏輯功能，考慮到嵌入式CPU結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性，在頂層設(shè)計(jì)中采用了原理圖的方法，通過(guò)VHDL對(duì)每個(gè)單元模塊進(jìn)行了仿真和綜合，然后將綜合生成的各個(gè)模塊連接起來(lái)，組成了一個(gè)整體

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1．1 系統(tǒng)的功能

　　該PLC主要是用來(lái)與DSP共同實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床中的部分操作，它主要執(zhí)行一些輔助的邏輯控制。它的主要任務(wù)如下：

　　(1)接收從DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的指令字，并將其進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令信號(hào)，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作；(2)接收操作面板上的按鍵信號(hào)，并響應(yīng)相應(yīng)的操作；(3)給DSP發(fā)送應(yīng)答信號(hào)以及狀態(tài)信息；(4)將處理的結(jié)果輸出到面板上以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器。

　　1．2 系統(tǒng)的組成部分

　　該系統(tǒng)的核心組成部分是由控制器、運(yùn)算器以及I／0端口構(gòu)成，如圖1所示。

　　控制器：控制器是由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”。運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元、暫存器以及數(shù)據(jù)緩沖器等組成，它是數(shù)據(jù)的加工處理部件。

　　I／0端口該PLC的I／O點(diǎn)數(shù)為l0點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出。每個(gè)端口由輸入寄存器以及相應(yīng)的端口控制部分組成。

　　2 系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　2．1 控制器

　　控制器的形式主要有組合邏輯控制器和微程序控制器兩種，與組合邏輯控制器相比較，微程序控制器具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn) ，在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中使用比較普遍，本控制器的設(shè)計(jì)采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號(hào)編成所謂的“微指令”，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作 。

　　微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器(CM)，微地址產(chǎn)生邏輯，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等組成。

　　(1)機(jī)器指令與微程序。該處理器選取了PLC指令系統(tǒng)中的十條基本指令如表1所示，指令采用十位二進(jìn)制編碼格式。

　　第9～6位是四位指令的操作碼字段；第5位是標(biāo)志位，用來(lái)判斷該指令有無(wú)操作數(shù)(1一有操作數(shù)，0一無(wú)操作數(shù))；第4～0位是操作數(shù)字段。

　　表中每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，一段微程序包含若干條微指令，微程序的設(shè)計(jì)就具體地可落實(shí)到微指令的設(shè)計(jì) ，微指令中的控制字段作為控制命令控制計(jì)算機(jī)的操作，控制字段給出的微命令應(yīng)包含計(jì)算機(jī)操作的所有微命令，對(duì)微命令給出和表示的方法與所采用的編碼方式有關(guān)，常用的微命令表示方法有直接表示法、編碼表示法、和混合表示法，該設(shè)計(jì)采用的是將直接表示法和編碼表示法混合使用的混合表示法。

　　該系統(tǒng)中的每條微指令為32位，其中低5位為下地址字段，直接送給微地址寄存器，第5～7位為測(cè)試字段，送到微地址產(chǎn)生邏輯電路里面以控制微地址的產(chǎn)生，其余位為用來(lái)產(chǎn)生各種微命令的控制字段。