基于8086CPU的单芯片计算机系统的设计

　　1 引言

　　随着超大规模集成电路工艺的发展，在一颗芯片上集成上百万甚至上亿个晶体管已成为现实。现在，芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为自己的发展方向，深亚微米效应理论及IP 核技术越来越受到理论界和工业界的广泛关注，系统芯片是当前技术发展的必然趋势。计算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模集成电路计算机，它的发展一直是将越来越多的功能集成在越来越小的空间内。可以预见，在某些特定领域，半导体制造业朝着整合型单芯片系统的总体趋势将会日益明显。

　　所谓单芯片计算机即是将传统PC 机箱里的主板上的芯片组、CPU、内存、显卡、声卡和网卡等最大限度的集成在单个芯片中。单芯片计算机与传统PC 相比，重量、体积和功耗大幅下降，从而系统性能将得到很大地改善，同时带来价格的突破性下降，直接促进计算机的迅速普及。

　　本文搭建的单芯片计算机系统基于标准8086 CPU，集成了AMBA 总线、SDRAM、8255、ROM 等外围IP，并在Altera DE2 FPGA 开发板上实现了功能演示。

　　2 单芯片计算机的发展概况

　　单芯片计算机是一个完整的计算机系统，CPU、存储器和输入输出接口，通过总线连接，构成了单芯片计算机的基本系统。单芯片计算机的系统级设计，是以CPU 为核心开展的I/O和外设集成过程，是基本的SoC 设计流程。

　　近几年，Intel、AMD 和VIA 等微处理器制造商纷纷推出平台策略，将微处理器和芯片组组合在一起，形成一个完整的解决方案，并计划将来进一步推出集成所有芯片的单芯片微处理器。Intel 公司频推平台策略，计划进一步推出整合所有芯片的单芯片计算机，还聚集了一个由500 名工程师组成的研发团队，开发其单芯片电脑产品，希望将目前电脑主板上的32 颗芯片全部集成到单一的芯片中。 而在AMD 四核皓龙处理器中，四个独立的CPU 核集成到单一硅片上，每个核具有单独的64KB 一级数据缓存、64KB 一级指令缓存和512KB 的二级缓存，四个核心共享2MB(或者更大)的三级缓存。这样每个CPU 核都能够充分发挥各自的效能，从而大幅度提升整个处理器的性能。

　　单芯片计算机的设计，是一个基于某一种型号CPU 及其外围I/O 接口的SoC 设计过程。因此，选择哪种型号的CPU 就成了设计的首要问题。综合设计难度，工程进度的因素，同时考虑所选CPU 要有一定的代表性，因此最终选择标准Intel 8086 CPU。基于8086 的单芯片计算机基本结构，如图1 所示。

　　3 单芯片计算机系统的设计

　　8086 CPU 芯片有两种工作模式，最小模式与最大模式。所谓最小模式，是指系统中只有一个8086 微处理器，在这种情况下，所有的总线控制信号，都直接由8086 CPU 产生，系统的总线控制逻辑电路被减到最少，该模式适用于规模较小的微机应用系统。