16位微控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(guó)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(duì)我國(guó)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(jí)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。

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(guò)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(guò)程中的地址總線。當(dāng)MCU通過(guò)寄存器控制器訪問(wèn)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(duì)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(duì)內(nèi)部寄存器陣列的讀寫訪問(wèn)，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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)效后(在empty無(wú)效之前CU一直等待)，指令即通過(guò)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(kāi)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(guò)程
在A8096中，有兩級(jí)指令預(yù)取概念：一級(jí)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(jí)則是指令執(zhí)行過(guò)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(jí)的預(yù)取指動(dòng)作，下一條指令的操作碼即被預(yù)取出來(lái)(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(zhǎng)度和指令執(zhí)行周期數(shù)。