基于FPGA的嵌入式PLC微处理器设计

前言

　　现场可编程门阵列(FPGA)是近几年来出现并被广泛应用的大规模集成电路器件，它的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性好等。

　　硬件描述语言(VHDL)是用来描述硬件电路的功能，信号连接关系及时序关系的高级硬件编程语言，设计者可根据VHDL语言法则，对系统的逻辑进行行为描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译、优化，用仿真工具进行逻辑功能仿真和系统时序仿真，可在短时间内设计出高效、稳定、符合设计要求的大规模或超大规模的集成电路。

　　该处理器采用了TOP—DOWN的层次网络模块化设计方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要逻辑功能，考虑到嵌入式CPU结构的复杂性和设计的可扩展性，在顶层设计中采用了原理图的方法，通过VHDL对每个单元模块进行了仿真和综合，然后将综合生成的各个模块连接起来，组成了一个整体

　　1 系统设计

　　1．1 系统的功能

　　该PLC主要是用来与DSP共同实现数控机床中的部分操作，它主要执行一些辅助的逻辑控制。它的主要任务如下：

　　(1)接收从DSP发送过来的指令字，并将其进行译码转换成相应的命令信号，从而执行相应的操作；(2)接收操作面板上的按键信号，并响应相应的操作；(3)给DSP发送应答信号以及状态信息；(4)将处理的结果输出到面板上以驱动相应的继电器。

　　1．2 系统的组成部分

　　该系统的核心组成部分是由控制器、运算器以及I／0端口构成，如图1所示。

　　控制器：控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成，它是发布命令的“决策机构”。运算器：运算器由算术逻辑单元、暂存器以及数据缓冲器等组成，它是数据的加工处理部件。

　　I／0端口该PLC的I／O点数为l0点输入和8点输出。每个端口由输入寄存器以及相应的端口控制部分组成。

　　2 系统的FPGA实现

　　2．1 控制器

　　控制器的形式主要有组合逻辑控制器和微程序控制器两种，与组合逻辑控制器相比较，微程序控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点 ，在计算机的设计中使用比较普遍，本控制器的设计采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作 。

　　微程序控制器主要由控制存储器(CM)，微地址产生逻辑，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等组成。

　　(1)机器指令与微程序。该处理器选取了PLC指令系统中的十条基本指令如表1所示，指令采用十位二进制编码格式。

　　第9～6位是四位指令的操作码字段；第5位是标志位，用来判断该指令有无操作数(1一有操作数，0一无操作数)；第4～0位是操作数字段。

　　表中每条机器指令对应一段微程序，一段微程序包含若干条微指令，微程序的设计就具体地可落实到微指令的设计 ，微指令中的控制字段作为控制命令控制计算机的操作，控制字段给出的微命令应包含计算机操作的所有微命令，对微命令给出和表示的方法与所采用的编码方式有关，常用的微命令表示方法有直接表示法、编码表示法、和混合表示法，该设计采用的是将直接表示法和编码表示法混合使用的混合表示法。

　　该系统中的每条微指令为32位，其中低5位为下地址字段，直接送给微地址寄存器，第5～7位为测试字段，送到微地址产生逻辑电路里面以控制微地址的产生，其余位为用来产生各种微命令的控制字段。