模型机设计是CPU设计的重要环节,其根据控制器的不同,分为微程序控制的模型机和组合逻辑控制的模型机,现将FPGA技术应用到这两种模型机的设计当中,再利用FPGA技术所具有的可重构性,实现基于FPGA的可重构控制系统的研究。利用FPGA技术,使得我们可以通过软件编程的方式对模型机的各功能部件进行设计,设计完成的模型机系统可以实现模型机的整机及运算器、存储器等各模块的分析与验证,而且由于FPGA的可重复编程性,使得模型机的灵活性及创新性得以提高。微程序控制的模型机和组合逻辑控制的模型机均采用8位单总线结构;运算器、存储器、停机电路等采用相同的设计;对于指令系统的设计借鉴了精简指令系统的设计思想,由于微程序控制的模型机主要用于实现算术运算类程序,组合逻辑控制的模型机主要用于实现跳转类程序,所以两种模型机的指令系统设计不同;其时序电路及控制器的设计根据需求也不相同,但两种模型机的整体设计均采用原理图和VHDL编程语言混合输入而成。设计完成的各功能模块及模型机整机在装有FPGA芯片的开发板DE2上一一实现。微程序控制的模型机和组合逻辑控制的模型机两者在功能实现上各有优势:组合逻辑控制的模型机执行速度较快,而微程序控制的模型机较为稳定。正因为此,我们将算术运算类程序应用到微程序控制的模型机当中,将跳转类程序应用到组合逻辑控制的模型机当中。采用FPGA技术设计的模型机有效地增强了设计的灵活性,提高了整机的性能。