1 前言

設計研究適用于國防和民用需求的高性能、高精度的微處理器(MPU)，已經(jīng)變得十分重要和迫切。為了處理大量實數(shù)數(shù)據(jù)，并考慮計算精度和實時性，需要將MPU單獨分離出來一部分進行浮點運算，像現(xiàn)在的高檔數(shù)字信號處理芯片(DSP)都含有一個FPU，所以研制高性能的浮點運算單元IP具有重要意義[1]。

微程序的概念和原理是由劍橋大學數(shù)學教研室教授M.V.Wilks在1951年第一次提出的[2]，但隨后15年，由于控制存儲器的問題制約了微程序技術的發(fā)展。由于LSI和VLSI 控制存儲器的發(fā)展，微程序在微型機中已經(jīng)開始起著重要作用。

微程序控制器的性能是提高處理速度的關鍵因素之一。本論文關于微程序控制器的研究是基于哈爾濱工業(yè)大學(威海)微電子中心32位FPU的設計，其采用了微指令控制的方法，用門級完成相關模塊的設計，通過布局布線后的結果看出，該設計規(guī)模小、速度高，非常適合嵌入式應用。

2 微程序控制器的結構及設計

在微處理器中產(chǎn)生控制信號一般由微程序和狀態(tài)機兩種方法實現(xiàn)，其中微程序屬于固件。微程序控制器輸出的微指令用來控制整個FPU工作[3]。一條微程序一般由操作控制和順序控制兩大部分組成。控制部分用來管理和指揮FPU的工作[4]。微程序的順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。微程序控制器有其自身的優(yōu)點，比如：具有規(guī)整性、靈活性和可維護性等一系列優(yōu)點。本設計的微程序控制器的結構如圖1所示。

微程序控制器主要包括三部分，用于產(chǎn)生下一條微指令的微地址生成模塊、用于存儲微指令的存儲器(此為一塊Rom)和用于指揮FPU工作的控制總線，其中主要是前兩部分，下面分別給與介紹：

2.1 微地址生成模塊介紹

微地址生成模塊主要目的就是產(chǎn)生下一條微指令的地址。地址線寬為8bit，下一條微地址由如下幾條產(chǎn)生(如圖2所示)：

1.ExcMiptr信號是用來選擇由于一條FPU指令執(zhí)行過程中產(chǎn)生各種異常(包括結果不精確異常、上溢、下溢和無效異常)對應的異常操作與控制的入口地址。

2.nextMiptr信號是用于選擇一條FPU指令執(zhí)行過程正常情況下，產(chǎn)生下一條微指令的地址。

3. RomEntry信號是用于根據(jù)FPU指令選擇不同指令的入口地址，本設計把單精度和雙精度的加、減、乘、除、乘加等指令設計有不同的控制入口地址。

4.RomMiptr信號是微地址默認的?？康刂罚丛趶臀缓虵PU空閑時輸出的默認地址

5.feedback信號是用于選擇用于跳轉微指令地址，例如在本設計中用于乘加、乘減指令的跳轉控制。

如上這些地址信號的控制都來源于微指令的控制位。其中是否產(chǎn)生分支的控制如圖3所示。

圖3 微指令分支控制信號生成圖

2.2微指令存儲模塊

本微指令控制器的存儲模塊，有8bit地址輸入和64位數(shù)據(jù)輸出用于管理和控制整個FPU工作。64位微指令是控制整個系統(tǒng)所用的控制信號，其功能與狀態(tài)機相似，在本設計中通過微指令的[15：11]檢測到數(shù)據(jù)處理過程中可能出現(xiàn)的狀態(tài)，再根據(jù)不同的狀態(tài)進行狀態(tài)轉換。下面把其中主要的幾位列表如表1：

表1 微指令控制位

3.模塊的實現(xiàn)及驗證

微程序模塊采用了從頂?shù)较碌?Top-down)設計方法，所有部件按照模塊化思想設計成IP(Intellectual Property)，明確模塊間的接口信號時序，同時模塊里的邏輯控制都是用門級設計，從而優(yōu)化設計的性能。使用Synopsys公司的Design Compiler作為綜合工具，用SMIC0.18微米工藝，綜合出來的結果時鐘頻率266MHz。

系統(tǒng)采用硬件描述語言Verilog作為工作語言，使用Modelsim SE6.2完成整個仿真過程，仿真結果都完全符合IEEE754標準要求[5]，能實現(xiàn)單精度和雙精度的控制。完成后仿真并通過FPGA驗證，這為將來流片打下了堅實的基礎。

一般來講，設計驗證方法包括兩大類：模擬的方法和形式化的方法。本設計采用模擬的方法。模擬驗證環(huán)境如圖3所示，運用基于斷言的驗證方法，主要分為三大部分：激勵部分、待測模塊和驗證比較模塊。

圖3 模擬驗證環(huán)境

一般情況下，激勵的生成方法有兩種：一類是直接激勵生成;一類是隨機激勵生成。本設計兩種方法都使用了，對于正常的加減乘除等運算采用了隨機生成激勵(約束性隨機)，而對于其他邊角情況使用了直接激勵，特別各種異常情況。輔助模塊包括指數(shù)運算模塊、尾數(shù)運算模塊和符號運算模塊。比較結果輸出模塊包括運用設計規(guī)范指定的結果與驗證模塊輸出的結果進行比較。

4.結論

32位FPU中微程序控制器的設計經(jīng)仿真驗證證明它的功能是完全能滿足IEEE754標準的FPU的控制功能。在設計中采用了多入口地址等提高微程序控制能力的方法。為了提高電路性能，使用門級設計方法。通過布局布線后的結果看出，該設計規(guī)模小、速度高，非常適合嵌入式應用。此微程序控制器可以在所有滿足IEEE754標準的浮點處理器中使用，提高了設計的效率和可靠性，加快了設計周期。

本文作者的創(chuàng)新點：采用微程序控制的設計方法，同時采用門級設計方法，所以規(guī)模小，速度快。通過Modelsim仿真，完全滿足符合IEEE754標準的浮點處理器的應用。

參考文獻

[1]李六杏，周國祥.一種用于SOC中快速乘法器的設計[J].微計算機信息，2007，23，4-2：155-157.

[2]楊波，高德遠. 微程序控制器的設計與實現(xiàn)[J]，計算機工程與應用，2001，7：27-29.[!--empirenews.page--]

[3]Intel: intel82C288 Series Reference [M]. 1984.50-61.

[4]David A.Patterson, John L. Hennessy, Computer Organazaiton & Design[M], Morgan KauFMann Publishers, inc,2002 316-324

[5] ANSI/IEEE Standard 754-1985: IEEE Standard for Binary Floating-Point ArithmetIC[M]. Poscataway, NJ: IEEE Press, 1985.