mini-mcu简介

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mini-mcu简介

为了快速在FPGA上开发一些应用，且占用资源较少，所以设计和xilinx退出的KSPMS6指令基本一样的软核，并且实现指令可裁剪。项目仿真使用的是iverilog和gtkwave，指令设计和下面一样，这样自己就不用开发编译软件或者脚本！个人计划是设计这个mini-mcu,解决fpga上一些低速传感器的数据采集和简单的外设控制的，为了方便移植，设计的所有结构都是使用逻辑资源做的。

我使用bash写了自动根据编写的代码裁剪mini-mcu，也就是说，最终mini-mcu只会生成你是用过的命令的对应电路，这样做可以减少逻辑资源的开销，自己这次并不打算为其设计外部的外设和数据总线，只是用其做简单的模块，以加快项目开发。

计划指令集

指令	描述	功能	标志位	备注
ADD sX, kk	寄存器sX加立即数 kk	sX = sX + kk	影响进位C和结果标志位Z	kk:一个字节
ADD sX, sY	寄存器sX和sY相加	sX=sX + sY	影响进位C和结果标志位Z	X,Y为0-F，表示16个寄存器
ADDCY sX, kk	寄存器sX加立即数 kk和进位位	sX = sX + kk + C	影响进位C和结果标志位Z	进位标志位：C
ADDCY sX, xY	寄存器sX，sY，进位相加	sX=sX + sY +C	影响进位C和结果标志位Z
AND sX, kk	sX与立即数kk逻辑与	sX = sX & kk	C=0,影响结果标志Z	kk:一个字节常数
AND sX, sY	sX与sY逻辑与	sX = sX & sY	C=0,影响结果标志Z	X,Y为0-F，表示16个寄存器
CALL aaa	无条件调用地址为aaa的子程序	TOS=PC, PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF，10位地址
CALL C, aaa	如果进位标志C=1，调用地址为aaa的子程序	如果C==1，{TOS=PC, PC=aaa}	不影响当前标志位	aaa为000-3FF，10位地址
CALL NC, aaa	如果进位标志C=0，调用地址为aaa的子程序	如果C==0，{TOS=PC, PC=aaa}	不影响当前标志位	aaa为000-3FF，10位地址
CALL NZ, aaa	如果结果标志Z=0，调用地址为aaa的子程序	如果Z==0，{TOS=PC, PC=aaa}	不影响当前标志位	aaa为000-3FF，10位地址
CALL Z, aaa	如果结果标志Z=1，调用地址为aaa的子程序	如果Z==1，{TOS=PC, PC=aaa}	不影响当前标志位	aaa为000-3FF，10位地址
COMPARE sX, kk	sX与立即数kk比较	如果sX==kk，ZERO=1,如果sX<kk,C = 0	影响标志位
COMPARE sX, sY	sX与sY比较	如果sX==sY，ZERO=1,如果sX<sY,C = 0	影响标志位
DISABLE INTERRUP	禁止中断响应	中断使能标志清零	不影响当前标志位
ENAABLE INTERRUP	使能中断响应	中断标志设为1	不影响当前标志位
INTERRUPT Event	异步中断输入，保护标志和程序计数器，清除INTERUPT_ENABLE标志。跳转到3FF的中断矢量地址	当下状态入栈，PC=3FF	不影响当前标志位
FETCH sX, (sY)	sY所指的中间寄存器内容读取到sX的寄存器内	sX = RAM[(sY)]	不影响当前标志位
FETCH sx， ss	6位地址ss所指定的中间寄存器内容度发哦sX寄存器内	sX=RAM[ss]	不影响当前标志位	ss表示6位地址，可访问64个寄存器
INPUT sX，（sY）	sY寄存器所指定的输入口地址的内容读到sX	PORT_ID=sY,sX =IN_PORT	不影响当前标志位	sY表示8位IO的地址，最多256个
INPUT sX，pp	输入口地址为pp的内容读到sX寄存器内	PORT_ID=pp,sX =IN_PORT	不影响当前标志位	pp表示8位IO的地址，最多256个
JUMP aaa	无条件跳转到aaa的程序	PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF,10位地址
JUMP C,aaa	如果进位C为1，跳转到地址为aaa的程序	如果C==1，PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF,10位地址
JUMP NC,aaa	如果进位C为0，跳转到地址为aaa的程序	如果C==0，PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF,10位地址
JUMP NZ,aaa	如果结果标志位为0，跳转到地址为aaa的程序	如果Z==0,PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF,10位地址
JUMP Z,aaa	如果结果标志位为1，跳转到地址为aaa的程序	如果Z==1,PC=aaa	不影响当前标志位	aaa为000-3FF,10位地址
LOAD sX，kk	立即数kk送到sX寄存器	sX=kk	不影响当前标志位	kk为一个字节
LOAD sX，sY	sY寄存器的值送到sX寄存器	sX=sY	不影响当前标志位
OR sX，kk	sX与立即数kk逻辑或	sX=sX \| kk	C=0，影响结果标志位Z	kk为一个字节
OR sX，sY	sX与立sY逻辑或	sX=sX \| sY	C=0，影响结果标志位Z	X,Y为0-F，代表16个寄存器
OUTPUT sX，（sY）	sX寄存器的内容送到输出端口地址为sY上	PORT_ID = sY，OUT_PORT=sX	不影响当前标志位	sY表示8位地址
OUTPUT sX，pp	sX寄存器的内容送到指定地址上	PORT_ID=pp，OUT_PORT=sX	不影响当前标志位
RETURN	从子程序无条件返回	PC=TOS+1	不影响当前标志位
RETURN C	如果进位标志C为1，从子程序返回	如果C==1，PC=TOS+1	不影响当前标志位
RETURN NC	如果进位标志C为0，从子程序返回	如果C==0，PC=TOS+1	不影响当前标志位
RETURN NZ	如果结果标志Z为0，从子程序返回	如果Z==0，PC=TOS+1	不影响当前标志位
RETURN Z	如果结果标志Z为1，从子程序返回	如果Z==1，PC=TOS+1	不影响当前标志位
RETURNI ENABLE	从中断服务程序返回，同时重新使能中断	PC=TOS,恢复标志Z,C,中断使能标志为1	影响Z和C
RETURNI DISABLE	从中断服务程序返回，同时禁用中断	PC=TOS,恢复标志Z,C,中断使能标志为0	影响Z和C
RL sX	循环左移sX寄存器	sX = {sX[6:0],sX[7]}, C=sX[7]	影响C和Z
RR sX	循环右移sX寄存器	sX = {sX[0],sX[7:1]}, C=sX[0]	影响C和Z
SL0 sX	左移sX寄存器，最低位置0	sX = {sX[6:0],0}, C=sX[7]	影响C和Z
SL1 sX	左移sX寄存器，最低位置1	sX = {sX[6:0],1}, C=sX[7]	影响C和Z
SLA sX	sX寄存器含进位位循环左移	sX = {sX[6:0],C}, C=sX[7]	影响C和Z
SLX sX	sX寄存器循环左移，最低位维持	sX = {sX[6:0],sX[0]}, C=sX[7]	影响C和Z
SR0 sX	右移sX寄存器，最高位置0	sX={0,sX[7:1]}, C=sX[0]	影响C和Z
SR1 sX	右移sX寄存器，最高位置1	sX={1,sX[7:1]}, C=sX[0]	影响C和Z
SRA sX	含进位标志右移sX寄存器	sX={C,sX[7:1]}, C=sX[0]	影响C和Z
SRX, sX	右移sX寄存器，最高位维持	sX={sX[7],sX[7:1]}, C=sX[0]	影响C和Z
STORE sX, ss	将sX寄存器的内容写到6位地址ss所指定的中间寄存器	RAM[ss] = sX	不影响当前标志位	ss表示6位地址，可访问64个寄存器
STORE sX, (sY)	将sX寄存器的内容写到寄存器sY所指向的中间寄存器	RAM[(sY)] = sX	不影响当前标志位
SUB sX, kk	sX减去立即数kk	sX =sX-kk	影响C和Z	kk为8位常数
SUB sX, sY	sX减去sY	sX=sX-sY	影响C和Z
SUBCY sX, kk	sX减去立即数kk和进位位	sX=sX-kk-C	影响C和Z	kk为8位常数
SUBCY sX, sY	sX减去sY和进位位	sX=sX-sY-C	影响C和Z
TEST sX, kk	测试寄存器sX的内容是否与立即数kk相反	如果(sX & kk) ==0,ZERO=1,C=奇数(sX & kk)	影响C和Z	仅仅影响标志位
TEST sX, sY	测试寄存器sX的内容是否sY相反	如果(sX & sY) ==0,ZERO=1,C=奇数(sX & sY)	影响C和Z	仅仅影响标志位
XOR sX，kk		sX=sX ^ kk	C=0,影响Z
XOR sX，sY		sX=sX ^ sY	C=0,影响Z

上述指令并没有全部实现,之后有时间在实现！

文件结构

.
├── images 放图片
├── mcu.v  设计的微控制器
├── README.md 说明
├── rom.v  程序存储器
├── run 命令仿真脚本
├── sim 仿真生成的文件夹
│   ├── wave
│   └── wave.lxt2
├── software 为项目开发的汇编程序
│   └── led_water.psm
├── tags 
├── tb.v 仿真testbech文件
└── tools 项目需要的一些基本工具
    ├── bin 一些自己写的脚本或者其他可执行文件
    │   └── msim
    └── kcpsm 汇编编译工具

为了确保脚本正常运行，你需要保证项目路径下tools文件夹存在，software文件夹下有语法没毛病的psm文件，还有项目根目录下存在rrun脚本。根目录下的tmp文件夹是仿真时自动生成的！

关于仿真

项目仿真使用小巧的iverilog工具，同样我为其写了脚本，使得开发支持一条命令跑到底的方式，根目录下的verilog文件包含tb.v,mcu.v,rom.v,head.v这几个文件，sofaware文件夹用于存放psm代码，为了开发一个小项目，使用这个项目的流程为：

假设我要为step-fpga mox2 -c 开发一个按键检测项目，实现按键按一次，led灯翻转一次：

step1: 编写汇编代码

在software一级目下简历一个psm文件，编写汇编代码，比如我的按键检测代码：

;系统时钟为12MHz
;目标硬件为 小脚丫FPGA step-maxo2-c，这个型号是U盘模式，流文件会下载到mcu，每次上电由mcu配置FPGA

;实现按键检测，按一下key1，led1将会翻转一次，程序简单，因此注意手不要抖，正常按法按
;输入
constant sw_port,00 ;定义按键四段拨码开关  【按键 ： 开关 】

;输出
constant seg_port,00 ;定义数码管地址
constant led_port,01 ;定义led_port为常量01
constant rgb_port,02  ; rgb灯


start:
	load sA,FF ;  led等控制
    output sA,led_port
    load sB,00 ; 初始化数码管显示 
    load sC,FF  ; ' rgb 灭
    output sC,rgb_port ;rgb
    input sD,sw_port ; 读一次io口
loop:
	input sF,sw_port
	AND sF,00010000'b ;'
	COMPARE sF,00
	JUMP Z,keycheck
	jump	loop ;循环

keycheck:
	CALL delay_200ms
	input sF,sw_port
	AND sF,00010000'b ;'
	COMPARE sF,00
	CALL Z,led_sh
	JUMP loop 

led_sh:
	XOR sA,00010000'b ;'
    OUTPUT sA,led_port
	RETURN 

delay_200ms: LOAD s2, 03      ; 
             LOAD s1, a9
             LOAD s0, 80
             jump software_delay	

delay_500ms: 	LOAD s2, 09      ;  500000us / (1/1.2us)  --> 计数次数
                LOAD s1, 27
                LOAD s0, c0
                jump software_delay	

software_delay: LOAD s0, s0             ;pad loop to make it 10 clock cycles (5 instructions), if clk 12MHz  --> 1/1.2 us
                SUB s0, 01
                SUBCY s1, 00
                SUBCY s2, 00
                JUMP NZ, software_delay
                RETURN

然后将终端路径切换到项目的根目录下。

step2: 编译并自动裁剪mcu

到根目录下，终端中执行./run -c && ./run命令，将会将汇编代码便以为十六进制的数据文件，这些十六进制数据就是机器执行指令，会被放到ROM中，但是这都不用担心，我使用bash shell编写了脚本可以自动生成，并自动裁剪。

执行命令后如果不出错，会在根目录下生成tmp文件夹，或者清空原来的重新生成文件，hex文件使我们需要的，脚本会将hex文件中内容直接写入到根目录下的rom.v文件，并分析文件，生成用于裁剪mini-mcu的宏定义文件，为head.v,如生成的head.v文件内容如下：

`define _LOAD_REG2REG_
`define _LOAD_DAT2REG_
`define _AND_KK_
`define _XOR_KK_
`define _INPUT_PP_
`define _SUB_KK_
`define _SUB_CY_KK_
`define _COMPARE_KK_
`define _CALL_
`define _JUMP_AAA_
`define _RETURN_
`define _OUTPUT_PP_
`define _CALL_Z_
`define _JUMP_Z_
`define _JUMP_NZ_

mcu.v文件会根据这些宏定义选择性的被条件编译，从而实现裁剪mini-mcu，之后为完善指令，这些脚本同样可用，但是需要注意，添加指令的位置为：

//---------------------- 定义一级指令编码 --------------------
// --------  SCRIPT_BEGIN         --> 脚本识别标签，勿动
localparam
//LOAD
    LOAD_REG2REG = 6'H00,               //LOAD sX, sY    装载数据 
    LOAD_DAT2REG = 6'H01,               //LOAD sX, kk    装载立即数到寄存器
//JUMP
    JUMP_AAA     = 6'H22,               //JUMP aaa       跳转到aaa地址执行  
    JUMP_Z       = 6'H32,               //JUMP Z,aaa    
    JUMP_NZ      = 6'H36,               //JUMP NZ,aaa      
    JUMP_C       = 6'H3A,               //JUMP C,aaa    
    JUMP_NC      = 6'H3E,               //JUMP NC,aaa 
//INPUT
    INPUT_REG    = 6'H08,               //INPUT sX, (sY)  
    INPUT_PP     = 6'H09,               //INPUT sX, pp
//OUTPUT
    OUTPUT_REG   = 6'H2C,               //OUTPUT sX,(sY)
    OUTPUT_PP    = 6'H2D,               //OUTPUT sX,pp
//SHIFT 
    SHIFT        = 6'H14,                //移位操作
// ADD
    ADD_REG      = 6'H10,               // ADD sX,sY
    ADD_KK       = 6'H11,               // ADD sX,kk
    ADD_CY_REG   = 6'H12,               // ADDCY sX,sX
    ADD_CY_KK    = 6'H13,               // ADDCY sX,kk
// SUB
    SUB_REG      = 6'H18,               // SUB sX,sY
    SUB_KK       = 6'H19,               // SUB sX,kk
    SUB_CY_REG   = 6'H1A,               // SUBCY sX,sY
    SUB_CY_KK    = 6'H1B,               // SUBCY sX,kk
// RETURN
    RETURN       = 6'H25,               // RETURN 无条件返回
    RETURN_Z     = 6'H31,               // RETURN Z    Z==0 则返回
    RETURN_NZ    = 6'H35,               // RETURN NZ   Z==1 则返回
    RETURN_C     = 6'H39,               // RETURN C    C==0 则返回
    RETURN_NC    = 6'H3D,               // RETURN NC   C==1 则返回
//CALL 
    CALL         =  6'H20,                // CALL aaa
    CALL_Z       =  6'H30,                // CALL Z, aaa
    CALL_NZ      =  6'H34,                // CALL NZ, aaa
    CALL_C       =  6'H38,                // CALL C, aaa
    CALL_NC      =  6'H3C,                // CALL NC, aaa
// COMPARE
    COMPARE_REG  =  6'H1C,                // COMPARE sX,sY   if(sX < kk or sX < sY) Z=X,C=1  ;  if(sX > kk or sX > sY) Z=X,C=0  ; if(sX == kk or sX == sY) Z=1,C=x ;
    COMPARE_KK   =  6'H1D,                // COMPARE sX,kk   if(sX < kk or sX < sY) Z=X,C=1  ;  if(sX > kk or sX > sY) Z=X,C=0  ; if(sX == kk or sX == sY) Z=1,C=x ;
    COMPARECY_REG=  6'H1E,               // COMPARECY sX,sY
    COMPARECY_KK =  6'H1F,               // COMPARECY sX,kk
// TSET
    TEST_REG     = 6'H0C,                // TEST sX,sY
    TEST_KK      = 6'H0D,                // TEST sX,kk
    TESTCY_REG   = 6'H0E,                // TESTCY sX,sY
    TESTCY_KK    = 6'H0F,                // TESTCY sX,kk
// LOGIC
    AND_REG      = 6'H02,                // AND sX,sY
    AND_KK       = 6'H03,                // AND sX,kk
    OR_REG       = 6'H04,                // OR sX,sY
    OR_KK        = 6'H05,                // OR sX,kk  
    XOR_REG      = 6'H06,                // XOR sX,sY
    XOR_KK       = 6'H07;                // XOR sX,kk     

// --------  SCRIPT_END         --> 脚本识别标签，勿动

要在上面的格式上进行指令扩展，脚本识别标签勿动，这是用来根据指令自动生成裁剪mcu宏定义的关键内容！

编译完毕，将会自动打开gtkwave显示波形。

step3: 拷贝文件到工程

设计好后，可以自行拷贝rom.v, mcu.v, head.h 到项目，连接号个信号线即可。比如我项目中使用mini-mcu的顶层文件为：

module top
(
	input clk_in,             //输入系统12MHz时钟
	//4bit拨码开关输入
	input [3:0] sw,
	input [3:0] key, //按键输入
	//数码管
	output [8:0] seg_led_1,
	output [8:0] seg_led_2,
	//rgb
	output reg[2:0]rgb,
	//led
	output led1,              
	output led2,
	output led3,
	output led4,
	output led5,
	output led6,
	output led7,
	output led8
); 

wire clk ,clko,rst;
reg [7:0] out;
assign {led8,led7,led6,led5,led4,led3,led2,led1} = out;
assign clk = clk_in;
reg rst_n_in;          //复位信号
reg [17:0]cnt ;
always @(posedge clk) begin
		if(cnt>=18'h3ffff)begin
			rst_n_in <= 1'b1;
		end else begin
		    cnt <= cnt +1;
			rst_n_in <= 0;
		end
end 
/*
divide #(
	.N(1)
) u1 (
	.clk(clko),
	.rst_n(rst_n_in),
	.clkout(clk)
); 
*/
//----------- mini-mcu 相关------------
wire [11:0]address;
wire [17:0] instruction;
wire bram_enable, read_strobe, write_strobe;
reg [7:0] in_port;
wire [7:0] port_id, out_port;
//----------- 数码管 相关------------
reg[3:0] seg_data_1, seg_data_2;
//输出引脚 
always @(posedge clk )begin
		if(write_strobe)begin
			case(port_id)
				8'h00:{seg_data_1,seg_data_2} <= out_port;//bcd编码的2个数码管
				8'h01:out <= out_port;  //LED控制
				8'h02:rgb <= out_port[2:0];  //rgb
				default:out <=out;
			endcase
		end else out <= out;
end
//输入引脚

always@(*)begin
	if(read_strobe) begin
		case(port_id)
				8'h00: in_port = {key[3:0],sw[3:0]};   //按键 4bit拨码开关输入
				
		endcase
	end 

end	

/**********************************
* 例化mini-mcu
**********************************/
mcu mcu(
    .clk(clk),            //系统时钟
    .rst_n(	rst_n_in),          //复位  0 --> 复位
    .address(	address),       //程序取址地址
    .instruction(	instruction),   //指令输入
    .bram_enable(	bram_enable),   //程序rom使能 1-->使能    
    .in_port(	in_port),        //输入口
    .read_strobe(	read_strobe),    //输入口使能     
    .port_id( port_id),        //io口地址
    .out_port(	out_port),       //输出口
    .write_strobe(	write_strobe)   //输出口写使能  
);

rom rom(
    .clk(	clk),
    .address(	address),       //程序取址地址
    .instruction( 	instruction),   //指令输入
    .enable( 	bram_enable)   //程序rom使能 1-->使能 
);
/**********************************
*数码管显示 是bcd码 
**********************************/
seg_display seg_display(
	.seg_data_1(seg_data_1),
	.seg_data_2(seg_data_2),
	.seg_led_1(seg_led_1),
	.seg_led_2(seg_led_2)
);

endmodule

step4：使用和我一样的开发板

小脚丫FPGA step- MOX2-C，不带TAGE，是U盘模式，拷贝文件就相当下载配置文件，使用这个是最方便的，因为我写了脚本，可以试试在根目录下执行./run -g试一试，这个命令将会编译汇编，生成rom文件，裁剪mini-mcu，拷贝有用文件到项目工程路径，工具综合，下载到开发板整个过程完成！只需要稍微调整脚本即可实现。

设计记录

基本输入输出指令

汇编代码

;系统时钟为50MHz
constant led_port,01 ;定义led_port为常量01
constant led_on,00000010'b ;
constant led_off,00000001'b ;
start:
	load	sF,	led_on;
	output	sF,led_port ;led亮
	load	sF,	led_off;
	output	sF,led_port ;led灭
	jump	start ;跳转的开始

对应的ROM文件中的内容为:

`timescale 1ns / 1ps

module rom(
    input          clk,
    input [11:0]address,       //程序取址地址
    output[17:0]instruction,   //指令输入
    input       enable   //程序rom使能 1-->使能 
);
reg [17:0] y;
assign instruction = y;
always@(posedge clk) begin
    if(enable)begin
        case(address)
            12'd0 : y <= 18'h01F02;
            12'd1 : y <= 18'h2DF01;
            12'd2 : y <= 18'h01F01;
            12'd3 : y <= 18'h2DF01;
            12'd4 : y <= 18'h22000;
        endcase
    end
end



endmodule

仿真文件：

`timescale 1ns / 1ps
module tb ;
reg clk,rst_n;

//生成始时钟
parameter NCLK = 20;
initial begin
	clk=0;
	forever clk=#(NCLK/2) ~clk; 
end 

/****************** BEGIN ADD module inst ******************/
wire [11:0]address;
wire [17:0] instruction;
wire bram_enable, read_strobe, write_strobe;
reg [7:0] in_port;
wire [7:0] port_id, out_port;

mcu mcu(
    .clk(clk),            //系统时钟
    .rst_n(	rst_n),          //复位  0 --> 复位
    .address(	address),       //程序取址地址
    .instruction(	instruction),   //指令输入
    .bram_enable(	bram_enable),   //程序rom使能 1-->使能    
    .in_port(	in_port),        //输入口
    .read_strobe(	read_strobe),    //输入口使能     
    .port_id( port_id),        //io口地址
    .out_port(	out_port),       //输出口
    .write_strobe(	write_strobe)   //输出口写使能  
);

rom rom(
    .clk(	clk),
    .address(	address),       //程序取址地址
    .instruction( 	instruction),   //指令输入
    .enable( 	bram_enable)   //程序rom使能 1-->使能 
);
/****************** BEGIN END module inst ******************/

initial begin
    $dumpfile("wave.lxt2");
    $dumpvars(0, tb);   //dumpvars(深度, 实例化模块1，实例化模块2，.....)
end

initial begin
   	rst_n = 1;
    	#(NCLK) rst_n=0;
    	#(NCLK) rst_n=1; //复位信号

	repeat(10000) @(posedge clk)begin

	end
	$display("运行结束！");
	$dumpflush;
	$finish;
	$stop;	
end 
endmodule

仿真波形

可以看到每个指令需要两个周期的时钟，结果符合的还不错。

yhp / mini-mcu

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关于仿真

step1: 编写汇编代码

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step3: 拷贝文件到工程

step4：使用和我一样的开发板

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