8位微控制器體系架構(gòu)的設計研究

　　對ISA進行功耗分析應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的精簡指令集中適當增加一些特定的復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疑是RISC低功耗設計的首選[5]。 
 
　　4.2 具有共享區(qū)的寄存器堆的分頁設計

　　RISC設計思想的最主要特點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行數(shù)據(jù)傳送，加快了速度，而且還簡化了指令控制邏輯，縮小了硬布線邏輯構(gòu)成的控制部件的芯片面積。 

　　在指令中固定寄存器地址的位數(shù)必然限制寄存器的數(shù)量，但是引入高端處理器的分段、分頁的設計思想就可以擴展尋址的范圍。分段、分頁的設計思想的根本出發(fā)點在于將存儲器的線性地址分解成二維或多維地址；在指令中只表達最低維地址，而使用其它設施（如段號寄存器、頁號寄存器）用來存放高維地址。一般將寄存器堆分成若干個頁，每個頁有固定的大小，在指令中只使用寄存器的頁內(nèi)地址。在系統(tǒng)專用寄存器中設置一個頁號寄存器，通過改變其內(nèi)容來切換對不同頁寄存器的訪問[6]。

　　為克服單純分頁機制中的各種缺陷，通常采用具有共享區(qū)的分頁設計，這樣不僅減少了指令中寄存器邏輯地址的位數(shù)，而且在任何時候都能夠訪問系統(tǒng)寄存器，同時便于不同頁寄存器之間通過共享區(qū)中的通用寄存器交換信息。當然還得有相應的邏輯地址到物理地址的映射的方法措施。

　　4.3 程序空間的分頁設計

　　由于和寄存器堆同樣的原因，在指令中若采用完整的程序空間地址，也會局限程序空間的大小，所以對程序空間通常也采用了分頁的設計思想，同時在不同頁內(nèi)設置了公共程序區(qū)（若指令長度完全符合程序空間地址的要求，則無需此思想），其設計思想類同于具有共享區(qū)的寄存器分頁設計，在此不再贅述。唯一與寄存器公共區(qū)不同的是：程序公共區(qū)是為程序在不同頁之間跳轉(zhuǎn)提供平臺。

　　4.4 流水線技術(shù)

　　流水線設計與8位RISC微控制器體系架構(gòu)密不可分，是整個系統(tǒng)的設計核心，它的選用優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的性能和功耗。

　　流水線技術(shù)能最大限度地利用了微控制器資源，使每個部件在每個時鐘周期都工作，大大提高了效率，但由于流水線的各個段之間存在很強的依賴關系。如果處理不當, 指令的運行將達不到預期的結(jié)果，因此必須熟知流水線的相關和轉(zhuǎn)移問題。其一為資源沖突, 即同一時間內(nèi)爭用同一功能部件, 一般為同時訪問存儲器, 這就需要停頓一拍流水線; 其二為數(shù)據(jù)相關沖突, 有三種類型: RAW、WAR、WAW , 解決該沖突使用內(nèi)部直通結(jié)構(gòu)或者延遲一拍流水線; 其三為控制轉(zhuǎn)移沖突, 即對于條件跳轉(zhuǎn)指令, 根據(jù)運算結(jié)果判斷是否跳轉(zhuǎn), 才能確定新的PC值, 運算結(jié)果是在執(zhí)行階段后獲得, 這使流水線喪失很多的性能, 一般采用增加硬件預先獲得運算結(jié)果解決該沖突[3]。

　　越是長的流水線，相關和轉(zhuǎn)移兩大問題也越嚴重：一方面導致硬件控制電路復雜程度大大增加, 另一方面, 由于流水線節(jié)拍的停頓, 導致CPI值的增大及系統(tǒng)性能的下降。所以，流水線并不是越長越好，找到一個速度與效率的平衡點才是最重要的。

　　在8位RISC微控制器的流水線設計中，存在很多種方案。不同方案所對應的面積、速度與功耗各不相同。具體的選用則應該從多個方面融合考慮。首先應該由系統(tǒng)的工作速率要求和流水線級數(shù)、深度推導出多種具體的流水線結(jié)構(gòu)方案及其所需要的嚴格時序；然后從系統(tǒng)的功耗、面積、性能及由流水線相關和轉(zhuǎn)移問題引起的設計復雜度等方面考慮出發(fā)，判斷各方案的優(yōu)劣；最后折衷選擇符合的最優(yōu)方案。

　　4.5 低功耗技術(shù)

　　隨著半導體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路進入深亞微米階段，微處理器的時鐘頻率和芯片集成度不斷提高，功耗已在很多設計領域成為了首要關注的問題，這點最為突出的即是高性能微處理器和便攜電子設備產(chǎn)品[7]。

　　在根據(jù)系統(tǒng)功能說明進行軟硬件協(xié)同設計、確定指令體系結(jié)構(gòu)時，不同的設計出發(fā)點所導致的設計功耗結(jié)果差別會很大。因此整個體系架構(gòu)的確定無疑是低功耗問題應該考慮的首要問題，主要體現(xiàn)以下幾個方面[5]：1）盡可能根據(jù)功能需求優(yōu)化指令集，簡化系統(tǒng)的譯碼單元和執(zhí)行單元；2）通過開發(fā)硬件的并行性以及功能單元的流水執(zhí)行來實現(xiàn)低功耗的結(jié)構(gòu)；3）合理設置確定存儲器、寄存器的容量，減少所需的總線數(shù)目；4）系統(tǒng)硬件的各個子模塊劃分以及軟件上設置不同的工作狀態(tài)對功耗的優(yōu)化非常重要。

　　5．結(jié)束語

　　在微控制器應用領域日益廣泛的今天，對微控制器提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、價格低廉、易學易用以及組成系統(tǒng)時的外圍器件更少。因此，對目前應用數(shù)量最廣的8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和設計研究顯得尤為重要。又體系結(jié)構(gòu)設計是整個設計關鍵之關鍵，其后的所有工作，都是依賴于所設計的體系結(jié)構(gòu)來進行的。本文就此對8位RISC體系架構(gòu)中采用的關鍵技術(shù)所應該考慮的問題進行了分析和探討，具有一定的研究價值和意義。

　　參考文獻：

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　　[3]李俠,沈泊,吉隆偉,章倩苓.一種高效率8 位嵌入式微控制器的VLSI 實現(xiàn)[J].微電子學.2001,31（6）

　　[4]李逍,潘松,徐旭.新型RISC 流水線架構(gòu)的8位微控制器[J].電子產(chǎn)品世界 2003.9/上半月：48-50

　　[5]韋健.低功耗邏輯電路設計及在RISC設計中的研究[D].浙江學.2001.5.

　　[6]孫海平，高明.8 位RISC微處理器核的參數(shù)化設計[J].微電子學與計算機.2002（1）

　　[7]陸希玉，唐昆，崔慧娟.基于嵌入式系統(tǒng)的低功耗設計[J].微計算機信息.2005,21-7，4-6。