基于FORTH的CPU控制模块在FPGA上的设计与实现

admin · 发表于 2022-9-7 17:36:00

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随着计算机和集成电路行业的发展，软件和硬件的发展都会影响一款芯片的速度和效率题目。本课题主要讨论的是软件硬件化的可行性和具体的实施方案，以一种第四代计算机语言的硬件化为例来论证可能性并实现其功能。本课题主要研究内容是基于FORTH的CPU其控制模块的设计与实现，其中关键思想是软件硬件化。具体说来就是通过分析软件的功能，用硬件直接实现。如果分析的词汇可以在软件层面上完成CPU的所有任务，我们理论上就可以通过硬件将每个词在软件上的功能实现，并将它们有机的组合在一起完成CPU的功能，这样做的好处就可以直接通过上层程序控制底层模块的动作。现在我们做的只是一种尝试。本文主要讨论的是其中控制模块的设计与实现。本控制模块不同于一般意义上控制器，它只是完成程序控制功能，即循环控制和分支结构控制功能。循环模块可完成三层单步条件循环和带步长的条件循环。它是通过设置相关参数来解决整个循环的控制题目。将这些参数分别用电路进行控制，其中每层参数的载入都用同步选通的方式来实现。当前层执行时，通过对参数进行一定的操作和比较来得出正确的控制信号。电路设计完成后对其进行仿真验证，而且针对整个FORTH处理器，还编写指令代码，并列出相关指令域。分支模块可以完成二选一的分支结构，也可以完成多分支结构。它是通过设置判断条件选择跳转地址的来源来解决分支条件的判断和跳转地址的正确寻址和输出题目。将这些判断结构和地址寻址结构都用电路实现，并通过指令控制相关信号来将需要的判断结果输入并根据该结果计算出具体地址并输出。需要说明的是，这里的跳转地址的寻址方式有寄存器直接寻址、寄存器相对寻址、立即数寻址和“小地址寻址”。其中“小地址寻址”也可称为分块寻址，即在指定的存取器范围内进行寻址，这个指定范围一般是216，所以这个“小地址寻址”一般是16位小地址（即16位的偏移量），这种方式通过对存储器分块达到快速寻址的效果。其中，模块这些也都用电路实现了，也都通过了验证仿真。最后这两部分都在FPGA开发板——XC5VLX50T上实现了，并进行了相关测试，结果均符合要求。

基于FORTH的CPU控制模块在FPGA上的设计与实现

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