基于8086 CPU的單芯片計算機系統的設計
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系統總線在接收到外設的中斷請求之后，會向CPU 提出中斷申請，一旦接收到中斷響應，要向外設傳送中斷響應信號，同時修改譯碼單元，選通該外設，保證在第二個中斷響應期間能將中斷類型號通過總線傳送給CPU，使得CPU 能成功跳轉到中斷服務子程序。
DMA 控制器在執行數據傳輸時，需要掌握AHB 總線的控制權，向片上存儲器或者總線上其他外設發出地址和控制信號，即相當于AMBA 的主設備；另一方面，在DMA 控制器啟動工作之前，CPU 需要對其進行預處理操作，以使其按照特定的配置參數進行工作，在這個初始化階段，CPU 是AHB 總線上的主設備，DMA 控制器屬于從設備?；贒MA控制器的這種兩面性，在總線設計中配備了專門的DMA 通道與其相匹配：CPU 正常工作時，
DMA 扮演從設備的角色，接受CPU 對其的初始化；利用HLDA 作仲裁信號，當CPU 響應外設DMA 請求時（即HLDA 為高電平），讓出總線控制權給外設，利用DMA 數據通道傳輸數據，傳輸的協議同樣遵從AMBA 協議?？偩€的時序控制模塊狀態如圖5 所示。
3.3 存儲單元的接口設計
存儲器子系統包括一個RAM 和一個ROM，8086CPU 支持20 位地址總線，具有1M 字節存儲空間，分為RAM 區和ROM 區。本文利用開發板的片上ROM 資源配置成16k*16 的格式作為存儲器中的ROM 單元，采用DE2 開發板上的8M 的SDRAM 配置成256K*16 位總線格式代替存儲器中的RAM 單元。
在各種隨機存儲器件中，SDRAM 的價格低，體積小，速度快，容量大，是比較理想的器件。但SDRAM 的控制邏輯比較復雜，對時序要求也十分嚴格，這就要求有一個專門的控制器：控制SDRAM 的初始化，刷新和預沖以及基本的讀寫操作。同時，需要匹配SDRAM控制器和8086 CPU 的讀寫時序。該接口具體實現的狀態機如圖6 所示。
T1：當RDY 為高電平時，首先確定是進行讀還是寫操作，這時DONE 為0：讀：設置WR=0，RD=1； 寫：設置WR=1，RD=0。
T2：當DONE 信號為高電平，表示可以進行讀/寫操作，跳轉到T3。
T3：CPU 通過SDRAM 控制器對SDRAM 進行讀寫操作。
T4：當低字節有效信號bwl_n 為高電平時，執行低字節傳輸。
T5：當高字節有效信號bwh_n 為高電平時，執行高字節傳輸。
T6：CPU 完成讀寫操作，相關控制信號清零。
其中，DONE 信號用于指示是否讀寫完成，只有DONE 為高電平時表示讀寫完成，才能進行下次讀寫操作。RDY 信號表示SDRAM 是否做好準備接受CPU 的訪問,由SDRAM的寫請求信號（IN_REQ =1）和讀有效信號（OUT_VALID =1 ）共同控制，其產生過程偽碼如表5 所示。
根據單芯片計算機系統級設計的組成結構，調用已經編寫完成的8086 IP 軟核、8255 IP軟核、SDRAM 控制器、SDRAM 模型IS42S16400、AHB 總線 IP 軟核以及譯碼器IP 軟核。
連接相應的輸入輸出端口，同時對8086 相關的輸入端口進行賦值，將未使用的輸出端口懸空，完成單芯片計算機系統的RTL 級設計。
4 單芯片計算機系統的仿真與驗證
單芯片計算機的RTL 級設計只是全部設計流程的一部分，為保證最終設計的成功，必須對其進行全面的軟件仿真與硬件驗證，包括搭建測試平臺，設計測試方案以及分析仿真結果，實現FPGA 驗證。
4.1 測試方案的設計
在包含8255 應用電路的單芯片計算機系統搭建完成的基礎上，要求實現八個開關量控制八個LED燈亮滅的功能。將八個開關量連接8255 的PA0～PA7；將八個LED 燈驅動電路連接8255 的PC0～PC7。在8086 CPU 的控制下，通過總線讀取連接在8255 PA 口的八個開關量，將開關值送往SDRAM 存儲，再從SDRAM 讀取開關量發送到8255 PC 口，使其驅動八個LED 燈的亮或滅。
4.2 仿真結果分析
單芯片計算機最小集的RTL 級仿真波形，如圖7 所示。在8086 CPU 的控制下，8255接口讀取連接在8255 PA 口的八個開關量11000010 以后，將其發送到8255 的PC 口，驅動輸出邏輯值11000010。
使用QuartusII 軟件成功編譯設計，將布局布線生成的結果下載到FPGA 中，得到與設計等效的實際電路，對實際的電路用測試系統進行測試，從而驗證設計的正確性。將FPGA的驗證結果經邏輯分析儀讀取顯示，如圖8 所示。
5 結束語
本論文在基于集成電路設計方法學的指導下，探討了一種基于8086 CPU 核的單芯片計算機平臺的架構，研究了其與AMBA 總線、SDRAM、8255 等外圍IP 的集成。在此基礎上，設計基于8086 IP 軟核的單芯片計算機系統，并實現了FPGA 功能演示。在后續的工作中，將考慮進一步擴展CPU 外圍接口IP 軟核；集成DMA 控制器，實現VGA 顯示功能；將DOS 操作系統加入8086 單芯片計算機平臺，并開發在操作系統下的設備驅動程序和應用軟件。
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