【锆石A4 FPGA试用体验】之结项报告Final：纳型处理器的设计

十一都过去了还不结项真是没的说了。
一、概述
参见前面几篇试用报告，上一篇写了一个UART接收器模块，最终构思的小处理器叫ledpu。。就是专门让你点亮led的。我预计达到的目标是，对于从串口输入的一串字符，FPGA会把它识别成一段指令，这段指令内部包括延时、跳转、亮灯、灭灯四种指令，从而可以让闪烁过程持续进行。
二、结构设定
对于这样一个想法，考虑从UART编程，类似于MSP430的BSL，定义当UART接收到四个连续的A时，开始正式读取UART的输出字符，这就是一个模拟的编程过程。程序里定义一个内存区域，用来存储接受值，这相当于RAM或ROM。当然，“编程”总要结束，定义'zzzz'四个字符为结束符号。
现在共规划了两个模块，编程器programmer和存储区mem，还需要一个模块CU——控制单元。由于此电路不涉及逻辑运算，所以暂不加入ALU。整体描述其功能：UART向pro模块发送字符，当pro模块检测到四个连续的AAAA，开始向mem发送字符，此时CU被暂停运行、暂停从mem读取数据。
当pro模块检测到四个连续的zzzz时，停止发字符。然而此时有3个或4个z已经写到了mem模块里。为此，在CU里面设定，当取出的一个字符为'z'时，已经运行到了mem模块的末尾，重新复位程序计数器。

三、CU模块的考虑
CU就是控制单元，虽然此次定义的CU很low很low，甚至不带ALU。但是还是要考虑它四种指令的实现方式。
对于开关灯指令，只需要做一个if判断，成立则把某个led的管脚设为0/1。跳转指令则直接更改pc的值，从下面的代码中可以看到，pc一直在自加，也可以强行给它赋值来实现跳转：CU单元通过给mem发送pc来取出一个字符执行。从另一个角度来说，这个所谓的CU不过是一个译码器。
led一个重要的效果是延时，在CU内部把外部的50M时钟分频至100Hz，并送到一个计数器里面。这个计数器的功能是：它自己不听计数、自增，当增加到另外一个“基准”num时就停止，并且输出反转为1：其输出作为pc计数器自增的使能信号！
对于非延时的三个指令，会把它的计数结果num1清零，同时把num也清零。这时，计数器不工作，pc按计划自增；如果是延时指令，会给num赋值，且不再清零num1，此时计数器输出为0，pc不再增加，计数值满后输出翻转为1使能pc计数器，CU取到mem中下一个字符。
四、代码及框图
quartus的一个工具就是生成原理图，省了我画草图的功夫，上图：

顶层模块代码如下，其余见附录：
//顶层module
module ledpu(
input clk,
input dat,
output [3:0]led);

wire [7:0]code;
wire [3:0]pc;
wire en_cu;
wire enpro;
wire [7:0]codeout;

programmer u1(clk,dat,code,en_cu,enpro);

mem u2(en_cu,enpro,pc,code,codeout);

cu u3(en_cu,enpro,clk,codeout,pc,led);

endmodule

五：结果
反复调试之后，基本调通，测试时发出AAAABXCXJzzzz的字符，可以看到led1闪烁。在代码中上述一串字符的意思是编程开始码、打开led、延迟一个单元、关闭led、延迟一个单元、跳转到第一条指令，最后四个z是结束标志，会有部分读取到mem模块，但是由于CU中的判定，读取字符为'z'时会重新执行。在本例中由于加入了跳转（对应于J），
J这个字符会将pc重新定位到0，循环执行。