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用CPLD创建具有弹性指令集的微控制器

作者:时间:2012-02-02来源:网络收藏

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也非常类似。但是对PicoBlaze等软核来说,是可变化的。比如设计工程师可以根据规范要求增加或删除指令。表3是AVR RISC PicoBlaze软核之间的比较。

目前交付的PicoBlaze支持49条指令,可以在任何几个CoolRunner-II 中操作。希望支持的指令品种以及架构版本的选择都会影响PicoBlaze的运行速度。

例如,在全指令集和所有指令都保持在CPLD外的情况下所能达到的最高性能是30MHz,但通过流线型处理指令集或程序可以将性能提高3倍,即 90MHz。事实上,PicoBlaze微控制器架构充分利用了CoolRunner-II的2个关键特性,即高执行速度和低功耗。

增加或删除指令

PicoBlaze微处理器软核的优势在于具有增加或删除指令的能力。

例如,只需从VHDL中注释掉指令就可以完成指令集中指令的调整。如果需要的话,人们还能把它们从汇编器中去掉,但通常是不要求这样做的。如果某些应用能够利用目前提供的这些指令外的其它重要指令,那么还可以增加指令。因此删除和添加指令都是可行的。大多数编程人员在日常编程中用到的指令数大概是 20条。选择最常用的20条,把剩余的删掉,然后再进行编程。如果设计工程师发现了一个瓶颈型“内部环路”,并能从专门为该指定任务定制的单个指令中受益,那就能够编写出以硬件速度运行的VHDL程序。记住,PicoBlaze微控制器能够利用处理器内部的双边沿触发器在两个时钟边沿完成运算。

DSP例子

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为了描述PicoBlaze架构的适应能力,让我们看一个DSP的例子。代码到“位-反转总线(bit-reverse a bus)”是快速傅里叶变换中的一项基本操作。作为基本算法中的一个关键步骤,数据一般从地址总线上驱动输出。用“标准”指令完成这一操作需要多条“屏蔽与翻转”命令,极易形成处理瓶颈。

表4给出了极象汇编类步骤的基本操作来显示寄存器内容。算法的起始是带A-H标签的一字节数据。该字节首先在内部完成交换 (4次翻转),然后再用布尔“与/或”将内部位转移到目标寄存器,从而生成结果,一次2个位。这样处理一遍后,会在最终寄存器中形成求反的原始内容。根据具体算法的不同,大概需要12到18条指令。在这种情况下,设计工程师不用增加指针和计数器等环路管理开销就可以完成这一任务。

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如图4所示,在VHDL中增加了“翻转”指令,设计经过再编译,“重新布线”的处理器就增加了这条关键指令。该方法用合成工具再布线手段可以将许多指令“挤压”进某些门中。这些多位级操作可以归结为简单的CPU再布线,并且最为重要的是合成器正确工作了。

指令增强

前面讨论的是指令集优化,不过功能增强也是可以的。请记住,许多微控制器包含有板上功能模块,这些模块除了指令集外还另有用途。例如,许多8位微控制器包含内部的外围设备计数器或定时器、中断控制器和DMA电路。对PicoBlaze来说,只要在芯片内部增加合适的外围设备功能集就可以了,具体取决于所选择的CoolRunner-II CPLD的密度。表5针对不同的附加功能给出了宏单元运用的一些评估。

性能改进

提升设计性能的经典方法是进行适当的“调整”。观察处理器的性能行为,识别处理器耗费时间的地方,发现处理器在做什么,然后提出最佳的操作组合来改进性能。最后实现新版的架构和/或代码并进行再次评估。

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实现架构或代码的方法之一是采用CoolRunner-II设计套件。许多目标设计都能适合驻留在板上的256-宏单元 XC2C256。板上还留有空闲的引脚位置,可以用来增加64-宏单元XC264,其信号已经与XC256连接在一起了。在64宏单元CPLD中简单构筑一个带计数器和定时器的小型硬件性能监示器就可以定时256宏单元CPLD中不同的代码部分,并报告执行时间。这样,通过检查地址空间和定时的行为,设计工程师就可以知道完成各种任务所需的时间。

PicoBlaze交叉汇编器

如前所述,PicoBlaze交叉汇编器具有完好的归档资料,因此PicoBlaze设计文件中早已存在汇编代码与VHDL 之间的直接对应关系。编译器是用ANSI-C编写的,并在微软的汇编器上汇编。该交叉汇编器具有高度的移植性,支持多种输出文件类型。例如,它能产生二进制输出文件,可以英特尔的hex格式装载进外部EPROM。它也能产生适合VHDL仿真器使用的主要建模文件。设计工程师可以用高速仿真功能立即分析汇编器产生的代码,从而了解代码的功能和效率。然后将代码下载到CoolRunner-II设计套件中,就可以看到它们正按期望的值正确工作。


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