16位微控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
電子設(shè)計(jì)工程 劉麗 劉第
摘要： 這里描述了一款自主研發(fā)的16位嵌入式微控制器(A8096)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于RTL級設(shè)計(jì)方法使用VerilogHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，在設(shè)計(jì)中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時(shí)MCU兼容了MSC-96指令集，目標(biāo)是可以應(yīng)用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目中。
Abstract：
Key words :
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全和信息家電產(chǎn)品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產(chǎn)品中必不可少的部件。目前國內(nèi)一些科研院校和半導(dǎo)體公司都在致力于研發(fā)自主設(shè)計(jì)的嵌入式微控制器，這對我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
這里描述了一款自主研發(fā)的16位嵌入式微控制器(A8096)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于RTL級設(shè)計(jì)方法使用Verilog HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，在設(shè)計(jì)中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時(shí)MCU兼容了MSC-96指令集，目標(biāo)是可以應(yīng)用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目中。
1 總體設(shè)計(jì)
1．1 MSC-96體系結(jié)構(gòu)
圖1所示為MSC-96體系結(jié)構(gòu)。Intel 8096微控制器是由通用寄存器陣列、算術(shù)邏輯單元(RALU)和微程序控制器等模塊組成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一個(gè)片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器，因而會(huì)造成面積和功耗都會(huì)較大。
MCU內(nèi)部的寄存器陣列通過一個(gè)控制器和2條總線與RALU相連。這兩條總線是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU與寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸，而A-BUS用作上述傳輸過程中的地址總線。當(dāng)MCU通過寄存器控制器訪問片內(nèi)外寄存器時(shí)，A-BUS可作為多路轉(zhuǎn)換的地址／數(shù)據(jù)總線。
1．2 A8096總體結(jié)構(gòu)
為了減少面積和功耗，A8096采用硬布線邏輯控制方式取代上述的微程序控制器。依據(jù)MSC-96的體系結(jié)構(gòu)，A8096主要功能模塊包括：IPU(InstrucTIon Pre-fetch Unit。指令預(yù)取單元)、CU(Control Unit，控制單元)、ALU(Arithmetic Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)、MEM_C-TRL(MEM控制器)、RF_CTRL(寄存器堆控制器)、ISR(Interrupt Service Routine unit，中斷服務(wù)單元)、GPIO(General Purpose Input Out-put，通用輸入輸出單元)等主要功能部件。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1．3 系統(tǒng)總線
A8096采用3條總線：一條是MEM總線，用于IPU和MEM CTRL對程序空間和數(shù)據(jù)空間的讀寫控制；16 bit的數(shù)據(jù)線，16 bit的地址線，讀寫信號(hào)memrd／memwr；一條是內(nèi)部寄存器陣列(Register File)總線，用于RF_CTRL對內(nèi)部寄存器陣列的讀寫訪問，地址線是8 bit的，數(shù)據(jù)線為16 bit，讀寫信號(hào)為rf_rd／rf_wr；一條是SFR總線，用于訪問數(shù)據(jù)空間地址在00H～19H的特殊定義的寄存器空間。8 bit的地址總線，16bit的數(shù)據(jù)總線，讀寫信號(hào)sfrrd／sfrwr。另外IPU和MEMCTR的數(shù)據(jù)交互是通過8 bit的數(shù)據(jù)線instr_bus完成的，其作用是從預(yù)取指令隊(duì)列中將指令傳給CU單元等。
2 MCU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 MCU工作原理
A8096通過IPU(指令預(yù)取單元)指令預(yù)取，并存放在預(yù)取指令隊(duì)列中，CU(控制單元)從IPU指令隊(duì)列中取指并進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生控制時(shí)序等信號(hào)。ALU單元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有譯碼模塊，依據(jù)當(dāng)前指令和當(dāng)前指令周期主動(dòng)工作。如：RAM控制器在加法指令的相應(yīng)周期取操作數(shù)送往ALU單元，ALU在相應(yīng)周期接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行運(yùn)算并將結(jié)果輸出。
2．2 MCU啟動(dòng)過程
在上電復(fù)位時(shí)，MCU處于復(fù)位態(tài)(rst信號(hào)有效)。復(fù)位時(shí)，IPU單元中的指令隊(duì)列清空(empty信號(hào)有效)，總線處于空閑態(tài)，IPU立刻進(jìn)行指令預(yù)取動(dòng)作，程序空間的首地址(2080H)指令即被取人指令隊(duì)列，隨后隊(duì)列空信號(hào)(empty)無效，同時(shí)指令被發(fā)送出去(instr_bus)。在復(fù)位同時(shí)，控制單元(CU)的取指信號(hào)(codefetche)即一直有效，在指令隊(duì)列空信號(hào)empty無效后(在empty無效之前CU一直等待)，指令即通過instr_ bus進(jìn)入了CU，指令操作碼被存入了指令寄存器，如圖3中instr寄存器更新為加法指令的操作碼74。至此，MCU完成了復(fù)位、自動(dòng)取指操作，并開始往下執(zhí)行該指令，IPU單元也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行指令預(yù)取操作。
2．3 指令執(zhí)行過程
在A8096中，有兩級指令預(yù)取概念：一級是指令預(yù)單元IPU利用總線空閑從程序空間不斷預(yù)取指令存入指令隊(duì)列中；一級則是指令執(zhí)行過程中的指令預(yù)取，當(dāng)一條指令執(zhí)行到最后一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，CU單元就會(huì)發(fā)送取指信號(hào)，進(jìn)行指令執(zhí)行級的預(yù)取指動(dòng)作，下一條指令的操作碼即被預(yù)取出來(指令隊(duì)列為空時(shí)需等待)，并立刻進(jìn)行譯碼確定指令的字節(jié)長度和指令執(zhí)行周期數(shù)。
如圖4所示，在加法指令的最后一個(gè)周期(cycle=05)，CU單元取指信號(hào)codefetche有效，則下一條指令的操作碼(6C，乘法操作碼)被預(yù)取出來，同時(shí)進(jìn)行查表譯碼確定其指令字節(jié)長度和指令周期數(shù)，隨后操作碼被存入指令寄存器instr中(此時(shí)，指令周期計(jì)數(shù)器cycle又從01開始計(jì)數(shù))。后面乘法指令的操作數(shù)也會(huì)不斷被取進(jìn)來執(zhí)行，直到乘法指令最后一個(gè)周期時(shí)，又將下一條指令的操作碼預(yù)取進(jìn)來。
需要說明：codefetche為取操作碼信號(hào)，datafetche為取操作數(shù)信號(hào)。在指令最后一個(gè)周期時(shí)若有中斷請求，則插入LCALL指令進(jìn)行中斷處理，讀取下一條指令。其流程如圖5所示。
2．4 指令譯碼過程
在MCU設(shè)計(jì)過程中，首先完成對各條指令的指令分析工作，確定每個(gè)周期該做的動(dòng)作，然后各部件依據(jù)指令分析表進(jìn)行相關(guān)的指令譯碼(RAM控制器只譯RAM要做的動(dòng)作，ALU只譯ALU要做的動(dòng)作)。過程描述如下：在預(yù)取操作碼時(shí)，CU單元對操作碼進(jìn)行譯碼確定指令的字節(jié)長度(nr_bytes)和指令周期數(shù)(nr_cycles)。然后CU依據(jù)指令字節(jié)長度(nr_bytes)取操作數(shù)，其他部件依據(jù)指令和當(dāng)前指令周期(curcycle)執(zhí)行相應(yīng)的指令操作。表1為加法指令分析表，下面以加法指令的譯碼過程來說明整個(gè)譯碼流程：
1)加法指令 ADD OPl OP2(將OPl+0P2結(jié)果寫入OPl中)；其目標(biāo)碼格式為：ADD OP2 OPl，其中OPl和OP2均為操作數(shù)地址。
2)0周期 實(shí)際指上一條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期，此周期codefetche取指信號(hào)有效，IPU單元將指令送入CU單元確定了指令周期和指令長度。
3)l周期 取操作數(shù)信號(hào)datafetche有效，op2(地址)進(jìn)來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號(hào)(從RAM寄存器陣列取操作數(shù)2)。
4)2周期 操作數(shù)2被取入，并存入ALU中的a寄存器；此周期取操作數(shù)信號(hào)datafetche有效，opl(地址)進(jìn)來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號(hào)。
5)3周期 操作數(shù)l被取入，并存入ALU中的b寄存器；加法器立刻進(jìn)行a+b運(yùn)算。
6)4周期 將加法結(jié)果放到RAM數(shù)據(jù)線上，地址線=opl，發(fā)寫信號(hào)。將加法結(jié)果寫回到opl中，并依據(jù)結(jié)果對PSW進(jìn)行處理。
7)5周期 無動(dòng)作，用于寫回操作的過程。
3 驗(yàn)證結(jié)果
3．1 仿真驗(yàn)證
芯片的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只是設(shè)計(jì)流程的一部分，為保證最終設(shè)計(jì)成功，必須對其全面仿真與功能驗(yàn)證。對MCU的測試方法如下：1)功能模塊的單元測試，驗(yàn)證模塊的功能正確性，包括接口時(shí)序等。2)系統(tǒng)集成測試，首先編寫簡單的機(jī)器碼測試向量進(jìn)行初步調(diào)試：然后使用編譯器寫匯編程序，編譯成二進(jìn)制機(jī)器碼進(jìn)行程序功能測試。在集成測試中，編寫匯編測試程序，用編譯器編譯成機(jī)器碼，在Cadenee NC下運(yùn)行這些測試程序進(jìn)行仿真測試。對每條指令均測試了其各種尋址方式，且測試程序自動(dòng)向DEBUG寄存器寫測試結(jié)果，以方便調(diào)試。經(jīng)過復(fù)雜的測試和不斷修正，驗(yàn)證結(jié)果顯示MCU指令執(zhí)行的正確性。
3．2 FPGA驗(yàn)證
使用的FPGA器件是StraTIxⅡ型號(hào)為EP1S40F780C7。綜合結(jié)果顯示：A8096使用3 565個(gè)LE(Logic Element)。時(shí)序分析結(jié)果：A8096可以運(yùn)行在49．93 MHz的時(shí)鐘頻率下。A8096占用FPGA資源分布情況如圖6所示。
4 結(jié)論
本設(shè)計(jì)中，采用RISC技術(shù)中的硬布線控制邏輯，有利于減少M(fèi)CU面積、降低功耗以及提高M(jìn)CU執(zhí)行效率，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)表明其只占用了3 565個(gè)LE單元，工作時(shí)鐘可達(dá)50 MHz。同時(shí)該MCU具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與實(shí)用性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可方便與定時(shí)器、串行通訊接口(I2C)、串行外圍接口(SPI)、模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器等外圍功能單元組成各種嵌入式系統(tǒng)，完全具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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