16位微控制器的設計與實現(xiàn)

2．4 指令譯碼過程
在MCU設計過程中，首先完成對各條指令的指令分析工作，確定每個周期該做的動作，然后各部件依據(jù)指令分析表進行相關(guān)的指令譯碼(RAM控制器只譯RAM要做的動作，ALU只譯ALU要做的動作)。過程描述如下：在預取操作碼時，CU單元對操作碼進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)指令和當前指令周期(curcycle)執(zhí)行相應的指令操作。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 實際指上一條指令的最后一個時鐘周期，此周期codefetche取指信號有效，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datafetche有效，op2(地址)進來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號(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datafetche有效，opl(地址)進來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號。
5)3周期 操作數(shù)l被取入，并存入ALU中的b寄存器；加法器立刻進行a+b運算。
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。將加法結(jié)果寫回到opl中，并依據(jù)結(jié)果對PSW進行處理。
7)5周期 無動作，用于寫回操作的過程。

3 驗證結(jié)果
3．1 仿真驗證
芯片的功能與結(jié)構(gòu)設計，只是設計流程的一部分，為保證最終設計成功，必須對其全面仿真與功能驗證。對MCU的測試方法如下：1)功能模塊的單元測試，驗證模塊的功能正確性，包括接口時序等。2)系統(tǒng)集成測試，首先編寫簡單的機器碼測試向量進行初步調(diào)試：然后使用編譯器寫匯編程序，編譯成二進制機器碼進行程序功能測試。在集成測試中，編寫匯編測試程序，用編譯器編譯成機器碼，在Cadenee NC下運行這些測試程序進行仿真測試。對每條指令均測試了其各種尋址方式，且測試程序自動向DEBUG寄存器寫測試結(jié)果，以方便調(diào)試。經(jīng)過復雜的測試和不斷修正，驗證結(jié)果顯示MCU指令執(zhí)行的正確性。
3．2 FPGA驗證
使用的FPGA器件是StratixⅡ型號為EP1S40F780C7。綜合結(jié)果顯示：A8096使用3 565個LE(Logic Element)。時序分析結(jié)果：A8096可以運行在49．93 MHz的時鐘頻率下。A8096占用FPGA資源分布情況如圖6所示。

4 結(jié)論
本設計中，采用RISC技術(shù)中的硬布線控制邏輯，有利于減少MCU面積、降低功耗以及提高MCU執(zhí)行效率，F(xiàn)PGA實現(xiàn)表明其只占用了3 565個LE單元，工作時鐘可達50 MHz。同時該MCU具有很強的擴展性與實用性，應用領(lǐng)域廣泛，可方便與定時器、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)，完全具備實際應用價值。