FPGA的微机原理实验系统设计(4)
3.由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。
当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，采用自上而下的设计方法。即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。
2 总体设计
该部分从系统的要求、系统的工作原理以及各部分功能电路，对基于FPGA的微机原理实验系统进行了总体设计。
2.1 系统要求
该实验系统是用于学生进行微机原理实验的，所以其必须满足以下要求：
（1）CPU寄存器、ALU等结构与Intel 8088基本一致，并完全兼容汇编指令，可以进行汇编指令的实验。
（2）具有8253，8259等外围芯片，可以进行外围接口芯片的实验。
（3）具有键盘输入电路，显示电路，方便实验的输入、调试和观察结果。
（4）可从计算机端下载程序到实验系统。
2.2 系统原理
该实验系统采用VHDL语言设计的8088软核，其指令与8088完全兼容，内部寄存器等结构基本一致。每当8088复位时，其CS寄存器赋值为FFFFH，IP寄存器赋值为0000H，执行的第一条指令的物理地址为FFFF0H。因此，利用Quartus II中现有的LPM库函数，实现64K字节的ROM，并把8088软核地址为F0000H～FFFFFH的存储空间与64K字节的ROM通过VHDL语言连接起来，并对其进行编译和功能仿真。64K字节的ROM占据8088内存空间的F0000H～FFFFFH，主要用来存放要运行的汇编程序。其余内存空间通过外部存储芯片来实现。当功能仿真通过后再进行引脚分配和综合布线，并产生下载文件，下载到FPGA芯片中。此时，FPGA芯片相当于一枚8088芯片，其分配好的引脚即8088的相应引脚。然后通过与外围电路的连接，即可构成一个最小系统，可以用来进行微机原理的实验。
2.3 系统硬件架构
根据前面的分析，基于系统的要求和原理，以及对各芯片的了解，将其合成为一个整体的实验系统。其硬件架构是各部分芯片电路的合理应用和相互连接，本系统的硬件架构框图如图2-1所示，主要包括以下几个部分。
（1）系统电源电路。
为整个电路系统提供正常工作所需的各种不同电压。由于本系统采用FPGA芯片，74系列芯片，8259接口芯片等，因此必须满足5V，3.3V，1.2V三种电源。
（2）FPGA芯片电路
是整个系统的核心部分，用于实现8088软核和64K字节的ROM，联合外围电路构成一个完整的实验系统。作为系统核心，通过FPGA上的8088软核执行ROM中的程序，发出地址信号、控制信号和实现数据交换，完成相应功能，进行不同的实验。
Altera推出的Cyclone II FPGA是Cyclone系列低成本FPGA中的最新产品。Cyclone II FPGA系列提供了与上一代产品相同的优势：一套用户定义的功能、业界领先的性呢过、低功耗但具有更多的密度和功能，极大地降低了成本。Cyclone II期间扩展了低成本FPGA的密度，最多达68416个逻辑单元（LE）和1.1M比特的嵌入式存储器。表2-1列出了Cyclone II系列特性[7]。
表 2-1 Cyclone II系列特性
特点 EP2C5 EP2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70
LEs 4608 8256 14448 18752 33216 50528 68416
M4K RAM Blocks(4Kbits plus 512 parity bits) 26 36 52 52 105 129 250