8位MCU（微控制器）體系架構(gòu)特征及設(shè)計(jì)原則

1.引言

微控制器(Microcontroller)自上世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，在將近30年的時(shí)間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價(jià)格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家用電器、計(jì)算和外設(shè)、通訊、工業(yè)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化設(shè)備以及儀器儀表等領(lǐng)域，成為科研、教學(xué)、工業(yè)技術(shù)改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單微控制器到現(xiàn)在普遍采用哈佛總線結(jié)構(gòu)的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展 。

8位微控制器是目前應(yīng)用數(shù)量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場(chǎng);其市場(chǎng)及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)都極為激烈，各種多功能需求以及不同規(guī)格的產(chǎn)品推陳出新的速度也極為快速。隨著集成電路和半導(dǎo)體工藝技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA和SOC技術(shù)的不斷競(jìng)爭(zhēng)和融合，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)逐漸向系統(tǒng)性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、開發(fā)更容易的方向發(fā)展。因此，迅速推出符合市場(chǎng)需求的高性價(jià)比、低功耗、高經(jīng)濟(jì)效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現(xiàn)今不少公司競(jìng)爭(zhēng)相逐的熱點(diǎn)。

2.目前8位微控制器的更新和設(shè)計(jì)趨勢(shì)

對(duì)于不同的微控制器(MCU)產(chǎn)品應(yīng)用，不僅需要考慮不同廠家MCU的性價(jià)比，而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應(yīng)用特點(diǎn)。針對(duì)不斷涌現(xiàn)出來(lái)的新的智能化電子產(chǎn)品，人們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的MCU新產(chǎn)品。不同廠家的MCU產(chǎn)品其指令集各不相同，特別是指令集系統(tǒng)架構(gòu)的不同，如市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的MCS51系列和PIC系列微控制器則分別采用CISC指令系統(tǒng)和RISC指令系統(tǒng)。

微控制器按照指令系統(tǒng)可以分為CISC、RISC、類RISC(RISC-LIKE)等幾種。傳統(tǒng)的MCS51控制器屬于CISC型，其代碼密度高，但大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點(diǎn)。RISC和類RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來(lái)的硬布線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的指令集可以用硬布線進(jìn)行指令譯碼，而不需要用微碼控制的方式，提高了譯碼的效率。流水線結(jié)構(gòu)將指令分成幾步完成，在流水線填滿工作時(shí)，每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間(CPI)在1個(gè)時(shí)鐘周期左右。一般來(lái)說(shuō)，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同時(shí)更容易設(shè)計(jì)和糾錯(cuò)。

因此，目前對(duì)8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和研究設(shè)計(jì)主要是以兼容市場(chǎng)上已被客戶廣泛采用的產(chǎn)品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展。對(duì)于原先為CISC指令系統(tǒng)的微控制器產(chǎn)品，在層出不窮的更新系列中已經(jīng)漸漸的融合進(jìn)了RISC思想;對(duì)于采用RISC指令系統(tǒng)的微控制器來(lái)說(shuō)，更多的做法仍然是針對(duì)高性能低功耗的需求對(duì)其整個(gè)體系架構(gòu)不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)最為多見。本文正是在這種形勢(shì)下提出的，主要討論RISC體系架構(gòu)的8位微控制器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.RISC微處理器的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)原則

雖然現(xiàn)在業(yè)界對(duì)RISC 處理器應(yīng)該具有什么特征還有不同的看法，但是各種RISC結(jié)構(gòu)都有一些共性：(1)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成以便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)流水化;(2)采用獨(dú)立且簡(jiǎn)單的裝載/存儲(chǔ)結(jié)構(gòu);(3)指令解碼通常都是硬連線實(shí)現(xiàn)而不是微解碼，以便加快執(zhí)行速度;(4)多數(shù)指令具有固定格式，以簡(jiǎn)化指令編碼和譯碼;(5)較小的指令集和少數(shù)幾種尋址模式;(6)數(shù)據(jù)通道流水線化，使處理過(guò)程高度并行;(7)采用大容量高速寄存器堆(或稱為寄存器文件)，盡量避免與速度較低的系統(tǒng)RAM交換數(shù)據(jù)。盡量將運(yùn)算數(shù)據(jù)存放在寄存器中，從而減少訪問內(nèi)存的次數(shù)。根據(jù)以上的討論，下文重點(diǎn)從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對(duì)8位RISC微控制器在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。

4.關(guān)鍵技術(shù)

4.1 RISC指令集的選取

控制器系統(tǒng)的使用跟軟件編程與硬件設(shè)計(jì)之間的規(guī)格接口密切相關(guān)，這個(gè)接口就是微控制器的指令集。指令體系結(jié)構(gòu)(ISA)是進(jìn)行微處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的前提。指令集必須完備，使所有可計(jì)算的功能都在合理的程序空間內(nèi)得以實(shí)現(xiàn);而且指令集又必須是高效的，以便使常用的功能可以用相對(duì)少的指令實(shí)現(xiàn)。因此，提供給應(yīng)用軟件開發(fā)的微控制器系統(tǒng)必須有一個(gè)完備而高效的指令集。

指令集直接決定微控制器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是用戶程序編譯生成目標(biāo)代碼的依據(jù)。指令集的最終確定與整個(gè)系統(tǒng)所需的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器變量及存儲(chǔ)器尋址方式密切相關(guān)且相互制約。各個(gè)部件乃至具體的字節(jié)都應(yīng)該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對(duì)各個(gè)部件或字節(jié)進(jìn)行辨認(rèn)操作。因此也就有了相應(yīng)的一系列針對(duì)不同產(chǎn)品的不同措施： 1)從所需要的地址長(zhǎng)度和相應(yīng)增加的寄存器來(lái)權(quán)衡指令的長(zhǎng)度;2)對(duì)指令進(jìn)行分類并分別確定各類的指令字節(jié)格式，以簡(jiǎn)化操作控制信號(hào)的譯碼邏輯;3)增加相應(yīng)的寄存器以彌補(bǔ)指令字節(jié)長(zhǎng)度的不足;4)指令字節(jié)格式分配應(yīng)考慮到相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及對(duì)應(yīng)的尋址方式;5)存儲(chǔ)器、寄存器、I/O口是否統(tǒng)一尋址。以上所列舉的并不詳盡也無(wú)先后順序之分，應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行分析。相應(yīng)的措施所對(duì)應(yīng)的性能、功耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度各不一樣，應(yīng)統(tǒng)一考慮。

對(duì)ISA進(jìn)行功耗分析應(yīng)該從指令代碼容量和指令執(zhí)行效率兩方面考慮。指令集大小、寄存器變量、存儲(chǔ)器尋址方式、流水線結(jié)構(gòu)等技術(shù)的選定都和指令代碼密度有緊密聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，在RISC的精簡(jiǎn)指令集中適當(dāng)增加一些特定的復(fù)雜指令不失為提高代碼密度、保證處理器高性能、低功耗的可行方法。因此能夠產(chǎn)生高指令代碼密度的指令集無(wú)疑是RISC低功耗設(shè)計(jì)的首選。

4.2 具有共享區(qū)的寄存器堆的分頁(yè)設(shè)計(jì)

RISC設(shè)計(jì)思想的最主要特點(diǎn)是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器---寄存器操作的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，加快了速度，而且還簡(jiǎn)化了指令控制邏輯，縮小了硬布線邏輯構(gòu)成的控制部件的芯片面積。