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06-17
1 简介 设计和研究适合国防和民用需求的高性能、高精度微处理器（MPU）已变得非常重要和紧迫。
为了处理大量的实数数据并考虑计算精度和实时性，需要将MPU中的一部分单独出来进行浮点运算。
当今的高端数字信号处理芯片（DSP）都包含FPU，因此开发了高性能浮点运算。
单元IP具有重要意义[1]。
微程序设计的概念和原理最早由M.V.教授提出。
剑桥大学数学教研室的 Wilks 于 2006 年[2]。
但在此后的15年里，由于控制存储器的问题，微程序技术的发展受到了限制。
由于LSI和VLSI控制存储器的发展，微程序开始在微型计算机中发挥重要作用。
微程序控制器的性能是提高处理速度的关键因素之一。
本文对微程序控制器的研究是基于哈尔滨工业大学（威海）微电子中心32位FPU的设计。
它采用微指令控制方法，利用门级完成相关模块的设计，从布局布线后的结果可以看出，该设计规模小，速度高，非常适合嵌入式应用程序。
2 微程序控制器的结构与设计 微处理器中控制信号的产生一般采用微程序和状态机两种方法来实现，其中微程序属于固件。
微程序控制器输出的微指令用于控制整个FPU的工作[3]。
微程序一般由运算控制和顺序控制两部分组成。
控制部分用于管理和指导FPU的工作[4]。
微程序的顺序控制部分用于确定生成下一条微指令的地址。
微程序控制器具有规律性、灵活性、可维护性等优点。
本设计的微程序控制器的结构如图1所示。
微程序控制器主要由三部分组成，用于生成下一条微指令的微地址生成模块、用于存储微指令的存储器（这是一个ROM） ）和用于指挥FPU工作的控制总线。
主要有 前两部分介绍如下： 2.1 微地址生成模块介绍 微地址生成模块的主要作用是生成下一条微指令的地址。
地址线宽度为8位。
下一个微地址由以下几行生成（如图 2 所示）： 1。
ExcMiptr 信号用于选择 FPU 指令执行期间发生的各种异常（包括不准确的结果）。
异常、上溢、下溢和无效异常）对应的异常操作和控制入口地址。
2.nextMiptr信号用于选择FPU指令执行过程中正常情况下生成的下一条微指令的地址。
3。
RomEntry信号用于根据FPU指令选择不同指令的入口地址。
本设计设计了具有不同控制入口地址的单精度和双精度加、减、乘、除、乘、加指令。
4。
RomMiptr信号是micro地址的默认对接地址，即复位且FPU空闲时输出的默认地址 5。
反馈信号用于选择跳转到微指令的地址，比如本设计中用于乘法、加法、乘减指令的跳转控制。
上面这些地址信号的控制来自于微指令的控制位。
是否产生分支的控制如图3所示。
图3微指令分支控制信号产生图 2.2微指令存储模块 该微指令控制器的存储模块具有8位地址输入和64位地址输入。
位数据输出用于管理和控制整个FPU的工作。
64位微指令是用于控制整个系统的控制信号。
它的功能类似于状态机。
在本设计中，通过微指令的[15:11]来检测数据处理过程中可能出现的状态，然后根据不同的状态进行处理。
状态转换。
主要的如下表1所示： 表1微指令控制位 3。
模块实现与验证 微程序模块采用自上而下（Top-down）的设计方法，所有组件按照模块化思想设计成IP（Intellectual Property），明确模块间的接口信号时序。
同时，模块中的逻辑控制采用门级设计，从而优化了设计的性能。
采用Synopsys的Design Compiler作为综合工具，采用SMIC0.18微米工艺，综合时钟频率为MHz。
系统采用硬件描述语言Verilog作为工作语言，使用Modelsim SE6.2完成整个仿真过程。
仿真结果完全符合IEEE标准要求[5]，可以实现单精度和双精度控制。
完成后通过FPGA进行了仿真验证，为以后的流片打下了坚实的基础。
一般来说，设计验证方法包括两大类：仿真方法和形式化方法。
本设计采用仿真方法。
仿真验证环境如图3所示。
采用基于断言的验证方法，主要分为三部分：激励部分、待测试模块和验证比较模块。
图3模拟验证环境 一般来说，激励的产生方式有两种：一是直接激励产生；二是激励产生。
另一种是随机激励生成。
本设计同时使用了这两种方法。
随机生成的激励（约束随机）用于加、减、乘、除等正常操作，而直接激励则用于其他极端情况，特别是各种异常情况。
辅助模块包括指数运算模块、尾数运算模块和符号运算模块。
比较结果输出模块包括将设计规范规定的结果与验证模块输出的结果进行比较。
4。
结论 32位FPU中微程序控制器的设计经过仿真验证，证明其功能完全满足IEEE标准FPU的控制功能。
设计中采用多入口地址等方法来提高微程序控制能力。
为了提高电路性能，采用了门级设计方法。
布局布线结果表明，该设计规模小、速度快，非常适合嵌入式应用。
该微程序控制器可用于所有符合IEEE标准的浮点处理器，提高设计的效率和可靠性，加快设计周期。
本文作者的创新点：采用微程序控制设计方法和门级设计方法，因此规模小，速度快。
通过Modelsim仿真，完全满足符合IEEE标准的浮点处理器的应用。
参考文献 [1]李六星，周国祥。
一种SOC快速乘法器的设计[J].微机情报，23, 4-2:. [2]杨波，高德源．微程序控制器的设计与实现[J]，计算机工程与应用，7：27-29。
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