PicoBlaze 8 位微控制器
PicoBlaze 是一個8 位的微控制器，非常适合于Spartan 系列及Virtex 系列FPGA。還可以用于CPLD，但是需要外部加SRAM 存儲器以運作程式。它又被稱為常數化的可程式設計狀态機KCPSM（(K)constant Coded Programmable State Machine），之是以這樣稱呼它，是因為PicoBlaze 非常适合實作複雜的、實時性要求不高的狀态機。
一般情況下，實作一個PicoBlaze 微控制器，僅僅需要96 個SLICE（192 邏輯單元）和一個BRAM（Block RAM），最大可以尋址1K 指令空間（每條指令18 位寬）。其性能可以達到44～76DMIPS，取決于其所用的FPGA 及速度等級。
PicoBlaze 可以擴充最多256 個8 位的輸入口和256 個8 位的輸出口，可以通過這些輸入/輸出口友善地實作與使用者邏輯的連接配接。另外，它還具有一個中斷輸入。
PicoBlaze 以VHDL/Verilog 源碼提供給使用者，占用非常少的資源，不會像51 核等CPU一樣停産。而且它完全采用同步設計，容易在各種FPGA 中實作。
12.1 PicoBlaze 特性
PicoBlaze 微控制器框圖如圖12-1 所示，它的特性介紹如下。
圖12-1 PicoBlaze 微控制器框圖
16 個8 位的通用資料寄存器。指令空間：1K（18 位）片上存儲器，上電自動裝入。ALU：位元組寬度，具有進位carry 及零zero 标志位。64 個位元組的片上暫存器Scratchpad RAM。最多可以擴充256 個輸入口和256 個輸出口。31（10 位）個可供CALL/RETURN 調用的堆棧。每條指令在兩個時鐘周期内完成，在Virtex2-Pro、Virtex-4、Virtex-5、Virtex 6高性能FPGA中，可以達到200MHz（100MIPS）。快速中斷響應，最差為5個時鐘周期。在Spartan、Virtex2、Virtex-II Pro、Virtex4/5/6中，僅需要大約96個SLICE和一個BRAM。支援彙編和指令集仿真。
12.2 PicoBlaze硬體基本結構
接下來介紹PicoBlaze微控制器的硬體基本結構，包括控制器各功能子產品、信号、中斷、暫存器、輸入輸出端口以及指令存儲器的不同配置結構。
12.2.1 PicoBlaze功能子產品說明
下面對圖12-1中所示PicoBlaze的各功能子產品進行簡要說明。
(1) 通用寄存器（General Purpose Register）：PicoBlaze有16個通用寄存器，被定義為s0～sF，為友善程式的編寫，這些寄存器可以用彙編指令重新命名。各寄存器用途一樣，沒有優先級，也沒有專用的累加器。
(2) 1K尋址空間：每條指令都是18位寬，這些指令與FPGA其他邏輯設計一同編譯，程式在配置過程中自動裝入BRAM運作。
(3) 算術邏輯單元（ALU）：ALU單元執行所有微控制器運算，内容如下。
基本的算術操作，例如加法和減法。位運算，例如與、異或等操作。算術比較和位測試操作。移位和旋轉操作。
所有具有一個操作數的操作，操作數被置于一個指定的寄存器中（sX），結果也被存放在此寄存器中。如果某條指令需要兩個操作數，則第二個操作數被置于另外一個寄存器sY或者是一個立即數kk中。
(4) 标志位（Flag）：ALU的操作會影響标志位RO和CARRY。ZERO表示最後一個操作結果為零，CARRY的結果預示着各種各樣的情況，取決于最後一條指令的執行結果。
(5) 中斷使能标志（Interrupt_Enable）：使能中斷輸入Interrupt。
(6) 64位元組暫存器（Scratchpad RAM）：PicoBlaze微控制器提供64位元組的片上資料暫存空間，通過STORE和FETCH指令直接或間接尋址。STORE指令将通用寄存器sX中的内容寫到64個空間中的某個位址，FETCH的操作與STORE相反，讀出64個空間中某個數到寄存器sX中。此RAM的6位位址可以用立即數指定，也可以通過一個通用寄存器指定，僅低6位有效，位址範圍00～3F。
(7) 輸入/輸出（Input/Output）：PORT_ID指定輸入/輸出的位址，它為8位，是以可以擴充256個輸入口和256個輸出口。輸入時，PicoBlaze從輸入口IN_PORT 讀資料存入sX 中； 輸出時， PicoBlaze 将sX 中資料送到OUT_PORT。
(8) 程式計數器（Program Counter，PC）：PC 指向下一條将要執行的指令。預設情況下，PC 自動指向下一條指令所存儲的位置。僅JUMP 、CALL、RETURN、RETURNI、中斷和複位指令會改變這種預設行為。PC 不會直接被
應用程式改變。PC 為10 位寬，是以最大尋址空間為1024，當PC 達到3FF hex 時，會傳回到00 位址。
(9) 程式流控制（Program Flow Control）：程式的預設執行順序可以通過改變條件或非條件流控指令來改變。JUMP 可以跳轉到1024 個空間的任何位置。
CALL 指令指定了子程式的起始位址， 同時傳回位址被儲存在CALL/RETURN 堆棧中。如果程式中使能了中斷，那麼，當中斷發生時，程式的傳回位址也會儲存在CALL/RETURN 堆棧中，同時中斷向量3FF(Hex)裝入PC。中斷用RETURNI 傳回，而不是RETURN。
(10) 堆棧（CALL/RETURN）：CALL/RETURN 堆棧最大可以存儲31 個指令位址，允許31 級子程式嵌套。由于中斷也會占用此堆棧，是以，如果程式中使能了中斷，則至少需要保留一級空間給中斷用。此堆棧是一個輪轉型的結
構，如果堆棧滿，再裝入位址時，最早進入的位址就會溢出。沒有指令可以控制堆棧或堆棧的指針，也沒有程式空間供堆棧應用。
(11) 中斷（Interrupt）：PicoBlaze 提供一個中斷輸入，且這個中斷是異步的，它可以發生在指令周期的任何時候。然而，一般的設計規則建議用時鐘同步PicoBlaze 的所有輸入。中斷響應時間小于5 個時鐘周期。
(12) 複位（Reset）：PicoBlaze 在FPGA 配置完成後立即自動複位。複位強制PicoBlaze 器進入初始狀态，PC＝0，标志位清零，中斷禁止，CALL/RETURN堆棧也被複位。但是資料寄存器和Scrachpad RAM 不受複位的影響。
12.2.2 PicoBlaze 接口信号
本節介紹PicoBlaze 微控制器的接口信号，如圖12-2 所示。
圖12-2 PicoBlaze 微控制器接口連接配接
IN_PORT[7:0]：資料輸入。在執行INPUT 指令期間，有效的輸入資料将出現在此端口。INTERRUPT：中斷輸入。如果中斷使能位被應用程式置位，那麼，當此中斷輸入口有一個持續至少2 個時鐘周期的高電平，則PicoBlaze 會進入中斷服務程式。如果中斷使能标志位清零，則PicoBlaze 會忽略中斷引腳上的信号。RESET：複位輸入。為了複位微控制器，産生一個複位事件，隻需要使RESET口輸入一個至少一個時鐘寬度的高電平。随着FPGA配置的完成，會自動産生一個複位信号。CLK：時鐘輸入。CLK最高頻率由ISE綜合結果決定。沒有占空比的要求。OUT_PORT[7:0]：資料輸出。在執行OUTPUT指令期間，輸出資料出現在此端口，并持續兩個時鐘周期。FPGA内部邏輯可以在CLK上升沿當WRITE_STROBE為高時采樣該資料。PORT_ID[7:0]：輸出端口位址。在執行INPUT/OUTPUT指令期間，此端口信号保持兩個時鐘周期。READ_STROBE：讀控制信号。此信号為高，在執行INPUT指令期間，表明IN_PORT[7:0]已經被采樣到指定的資料寄存器中。該信号在雙周期輸入指令INPUT的第二個時鐘周期有效。該信号常被用來作為讀FIFO操作的握手信号。WRITE_STROBE：寫控制信号。在執行OUTPUT指令期間，此信号為高時OUT_PORT[7:0]資料有效。此信号在OUTPUT指令的第二個CLK周期有效。在FPGA内，當WRITE_STROBE有效時在CLK上升沿采樣OUT_PORT[7:0]資料。INTERRUPT_ACK：中斷響應輸出。此信号為高時，響應中斷事件。在雙周期的中斷事件的第二個時鐘周期此信号有效。它經常被用來清除中斷源INTERRUPT的輸入。
12.2.3 PicoBlaze指令集
PicoBlaze微控制器的指令包括程式控制指令、算術指令、邏輯指令、移位和旋轉指令、中斷指令、存儲指令和輸入/輸出指令等，如圖12-3所示。
圖12-3 PicoBlaze指令集
子程式調用和傳回支援深度為31的堆棧。x和y表示寄存器，範圍是0～F。kk代表立即數，範圍是00～FF。aaa代表位址，範圍是000～3FF。pp代表端口位址，範圍是00～FF。ss代表暫存器位址，範圍是00～3F。
表12-1是PicoBlaze微控制器各指令操作的簡要說明。這些指令都是按照KCPSM3的文法（括号中為pBlazIDE的文法）進行說明，每條指令包括了基本描述、功能描述以及對進位位和零标志位的影響。
表12-1 PicoBlaze指令清單
sX：16個通用寄存器中的任何一個，s0～sF。sY：16個通用寄存器中的任何一個，s0～sF。aaa：10 位位址，為立即數，或者為一個三位的16 進制數000～3FF，或者為标号。kk：8 位端口位址，或者為立即數，或者為兩位16 進制數00～FF。pp：8 位端口位址，或者為立即數，或者為兩位16 進制數00～FF。ss：6 位暫存器位址，或者為立即數，或者為兩位16 進制數00～3F。RAM[n]：位址為n 的暫存器内容。TOS：存在于堆棧頂的值。