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基于RISC技術的8位微控制器設計

時間:2024-10-10 11:42:29 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于RISC技術的8位微控制器設計

摘要:介紹基于RISC技術的8位微控制器的設計與實現(xiàn)。主要包括RISC指令集的選;取指單元、譯碼單元、執(zhí)行單元的設計;取指、譯碼、回寫三級流水線技術的實現(xiàn)。該微控制器包含8級硬件堆棧、1個8位計數器、1個計數器溢出中斷、2個外部中斷源、8位數據輸入和輸出端口、16個通用寄存器、2K×16位的程序存儲器、512字節(jié)的數據存儲器。設計使用可綜合的Verilog語言描述, QuartusⅡ軟件仿真,F(xiàn)PGA器件驗證實現(xiàn)。

引 言

??隨著微電子技術的不斷發(fā)展,超大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高,將整個應用電子系統(tǒng)集成在一個芯片中(SoC),已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的趨勢;以往高復雜度、高成本的嵌入式系統(tǒng)結構能夠通過低成本的單片芯片實現(xiàn)。另一方面,復雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)集成度和速度不斷提高,功能不斷增強,開發(fā)人員可以使用高性能的EDA綜合開發(fā)工具和硬件描述語言(HDL)在短時間內設計出復雜的電子應用系統(tǒng)。目前,嵌入式系統(tǒng)已經在各行各業(yè)得到廣泛應用。工控、通信、汽車、航空航天以及軍事等各個領域都能看到嵌入式系統(tǒng)的身影,而微控制器(MCU)則是嵌入式系統(tǒng)的核心。

1 精簡指令集計算機(RISC)

1.1 RISC的結構特征和設計原則

  精簡指令集計算機具有單周期單指令,存儲器到寄存器的操作,簡單的尋址方式和簡單的指令格式的結構特征,其設計原則為:

① 選擇使用頻率高的指令,補充少量高效指令;

② 指令的結構簡單,所有指令長度相等;

③ 采用流水線技術,盡量使CPI = 1;

④ 使用Load/Store操作指令訪問存儲器;

⑤ 采用通用寄存器(GPR)結構;

⑥ 優(yōu)化編譯,提高執(zhí)行效率。

1.2 性能因子CPI和執(zhí)行時間

  性能因子是指微控制器每條指令的平均時鐘周期數CPI(Cycles Per Instruction):

  程序總的執(zhí)行時間t為:

  執(zhí)行時間是微控制器性能的主要指標。在影響t的三個因素中,時鐘頻率取決于硬件技術;CPI與指令集和MCU的組成結構有關;而指令數由指令集和編譯技術決定。要使微控制器的性能得到提高,優(yōu)化指令集、減少程序的總指令數和降低CPI值是設計主要考慮的問題。

2 微控制器的系統(tǒng)結構

  圖1所示的微控制器主要由以下幾個模塊組成:

  ① PROM程序存儲器單元(Program ROM)。程序存儲器容量為2K×16位。系統(tǒng)復位后,程序計數器PC指向程序存儲器000H單元,程序從000H處開始執(zhí)行。

 、 IDEC指令譯碼單元(Instruction Decoder)。指令譯碼器對輸入的16位寬指令進行譯碼,輸出寄存器、數據存儲器的地址和讀/寫控制信號。

 、 ALU算術邏輯運算單元(Arithmetic Logic Unit)。ALU單元是MCU數據處理的核心部分,數據寬度為8位,具有加、減、邏輯運算和移位功能。ALU單元有2個8位的數據輸入和1個8位數據輸出,1位進位輸入,1位進位標志輸出和零標志輸出。運算操作碼輸入為4位,由譯碼單元提供。

 、 REGS寄存器單元(Register)。1組16個8位寄存器,用于數據的高速存取。寄存器組具有2個數據輸出端口和1個數據輸入端口,讀和寫地址分開,可同時進行讀/寫操作。

 、 DRAM數據存儲器單元(Data RAM)。包含4段共512字節(jié)(每段128字節(jié))的數據存儲器,直接尋址能力為128字節(jié),間接尋址能力為256字節(jié),由程序狀態(tài)控制寄存器PSW的高2位控制段選地址。

  ⑥ CTRL控制單元(Control Unit)。整個MCU的控制中心,主要控制流水線操作、數據總線的控制和程序計數器的轉移。另外,還包括中斷、計數器和堆?刂。

 、 其它。定義了1組數據輸入端口、2組數據輸出端口,數據位寬均為8位;2個外部中斷輸入INT0和INT1;1個8位計數器TIMER;7級程序堆棧Stack,可實現(xiàn)7級子程序調用;1個8位的程序狀態(tài)控制寄存器PSW。各位功能如表1。

表1 PSW各位功能

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0RAM段選RAM段選進位CIN保留INT1中斷允許計數器溢出中斷INT0中斷允許啟/停計數器

3 流水線技術

3.1 三級流水線結構

  微控制器采用取指(IF)、執(zhí)行(EX)、回寫(WB)三級流水線結構,如圖2。各階段的主要功能為:

取指級——從程序存儲器中取出一條指令,同時進行指令譯碼,準備寄存器、存儲器的讀地址,讀/寫控制信號;

執(zhí)行級——數據輸入ALU單元運算,同時準備寄存器或存儲器的寫地址;

回寫級——將ALU輸出的運算結果寫入寄存器或存儲器中。

3.2 流水線競爭及解決

  控制競爭,由程序PC 指針值的改變引起。當執(zhí)行跳轉指令時,PC指針值要到執(zhí)行級才能改變,這將會使下一拍的取指操作出錯。這時必須由硬件插入一條空操作NOP指令,等待P

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