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一種8位嵌入式RISC MCU IP核數(shù)據(jù)通道模型設(shè)計(jì)

作者:李秀娟 王祖強(qiáng) 張?zhí)?山東大學(xué) 時(shí)間:2008-06-23 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用 收藏

  隨著IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,的需求越來(lái)越高。微控制器(Micro Control Unit)是系統(tǒng)的核心,8位 具有很高的通用性和靈活性,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)械設(shè)備、家用電器以及汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的 與Microchip公司的PIC16C57完全兼容[1]。MCU IP核采用哈佛結(jié)構(gòu),內(nèi)部單元可簡(jiǎn)化為時(shí)序控制和兩部分。時(shí)序控制部分為提供控制信號(hào),控制數(shù)據(jù)流動(dòng)方向以及數(shù)據(jù)通路的選擇,它是IP核的指揮中心;部分在控制部分的控制下,具體實(shí)現(xiàn)MCU IP核的指令功能,它是影響MCU性能、功耗等因素的關(guān)鍵,是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/84612.htm

  本文在設(shè)計(jì)該款MCU IP核的數(shù)據(jù)通道部分過(guò)程中,提出了一種特定的數(shù)據(jù)通道模型;最后,通過(guò)對(duì)整個(gè)MCU IP核仿真綜合,對(duì)該數(shù)據(jù)通道模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

  1 數(shù)據(jù)通道模型及數(shù)據(jù)總線Verilog HDL模型

  1.1數(shù)據(jù)通道模型結(jié)構(gòu)圖

  本文設(shè)計(jì)的MCU數(shù)據(jù)通道模型包含各數(shù)據(jù)通道單元及單條雙向數(shù)據(jù)總線。其中數(shù)據(jù)通道單元主要由特殊功能寄存器、通用寄存器及運(yùn)算單元ALU等電路組成,每個(gè)通道單元還可再分為多個(gè)子通道單元。數(shù)據(jù)通道頂層模型如圖1所示,數(shù)據(jù)主要在數(shù)據(jù)總線及各數(shù)據(jù)通道單元中流動(dòng),由一條雙向數(shù)據(jù)總線完成每個(gè)數(shù)據(jù)組元的讀寫(xiě)操作,充當(dāng)每個(gè)組元源總線及目的總線雙重功能,并由特定電路完成總線數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。該數(shù)據(jù)通道模型的最大特點(diǎn)為:通過(guò)n個(gè)子通道選擇信號(hào),各數(shù)據(jù)通道單元內(nèi)部可再分為n個(gè)子數(shù)據(jù)通道,由1/n譯碼器實(shí)現(xiàn)每一個(gè)時(shí)刻只有一條子通道選通。上層的數(shù)據(jù)通道控制信號(hào)仍然有效,作為子層數(shù)據(jù)通道的公共開(kāi)關(guān)[2]。依次類(lèi)推,該數(shù)據(jù)通道模型可以是多層的。數(shù)據(jù)通道層次模型如圖2所示。


  數(shù)據(jù)通道模型內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)在時(shí)間軸上是時(shí)刻向前的,而數(shù)據(jù)流動(dòng)的軌跡則呈現(xiàn)為相互環(huán)繞的螺旋形。

  1.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的Verilog HDL模型

  數(shù)據(jù)通道模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)總線分別由三態(tài)門(mén)和多路選擇器實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作,使用特定的硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL代碼模型進(jìn)行描述。對(duì)于掛接n個(gè)數(shù)據(jù)通道單元的m位數(shù)據(jù)通道內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,讀、寫(xiě)兩種操作的Verilog HDL代碼模型分別表示如下[3]:

  2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

  本文以數(shù)據(jù)通道單元ALU為例介紹數(shù)據(jù)通道模型的層次結(jié)構(gòu)。ALU是MCU IP核的運(yùn)算單元,是數(shù)據(jù)的加工處理部件,是數(shù)據(jù)通道中最特殊的數(shù)據(jù)通道單元。它實(shí)現(xiàn)加、減、與、或、異或、非、左移、右移、半字節(jié)交換等九種運(yùn)算,其中前五種是雙操作數(shù)操作,其余四種是單操作數(shù)操作。對(duì)于雙操作數(shù)操作,ALU數(shù)據(jù)通道單元一邊采用兩條兩個(gè)源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道,另一邊采用一條目標(biāo)操作數(shù)數(shù)據(jù)通道;而單操作數(shù)操作僅需開(kāi)啟一條源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道。

  本文的ALU采用低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)控制部分譯碼得出ALU主要實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)算:算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算以及半字節(jié)交換運(yùn)算。本文通過(guò)加、減操作復(fù)用一個(gè)8位超前進(jìn)位加法器,將ALU模塊分為8個(gè)運(yùn)算單元,構(gòu)成8個(gè)子數(shù)據(jù)通道。通過(guò)對(duì)ALU子數(shù)據(jù)通道選通信號(hào)aluop[2:0]進(jìn)行譯碼對(duì)8條子通道進(jìn)行選通,如表1所示。在系統(tǒng)復(fù)位或者不工作時(shí),各運(yùn)算單元處于休眠狀態(tài);在每條指令的執(zhí)行周期,ALU中8個(gè)子數(shù)據(jù)通道始終只有一條子數(shù)據(jù)通道處于選通工作狀態(tài)。不同類(lèi)的指令對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)通道,把對(duì)ALU運(yùn)算的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)ALU內(nèi)子數(shù)據(jù)通道的選擇,降低了ALU整體功耗[4]。

  一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)通道的選通由選通信號(hào)控制,而數(shù)據(jù)通道的開(kāi)啟必須由整個(gè)MCU IP核控制部分產(chǎn)生的四相不重疊時(shí)鐘節(jié)拍控制,分別為clk1、clk2、clk3、clk4。時(shí)鐘節(jié)拍不參與數(shù)據(jù)通道的選擇,所起作用只是數(shù)據(jù)通道的開(kāi)啟。數(shù)據(jù)通道內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)是有方向的,本文中數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向性體現(xiàn)為不同時(shí)鐘節(jié)拍控制的不同數(shù)據(jù)通道的開(kāi)啟。以單操作數(shù)指令半字節(jié)交換指令(SWAP)為例說(shuō)明,半字節(jié)交換指令只需開(kāi)啟一條源操作數(shù)通道。如圖3所示,控制部分在clk1時(shí)取出指令,產(chǎn)生控制信號(hào),進(jìn)入數(shù)據(jù)通道操作;在clk2時(shí),在存儲(chǔ)單元中選擇源操作數(shù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)總線,開(kāi)啟ALU運(yùn)算單元的源操作數(shù)alu_xbus_a[7:0]數(shù)據(jù)通道,此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU源總線;在clk3時(shí),根據(jù)ALU模塊子通道選通信號(hào)aluop[3:0]選擇ALU功能模塊SWAP,開(kāi)啟源操作數(shù)進(jìn)入ALU進(jìn)行半字節(jié)交換運(yùn)算的數(shù)據(jù)通道;在clk4時(shí),將ALU運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果aluout[7:0]通過(guò)數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入到各目的數(shù)據(jù)通道單元中,即開(kāi)啟目的操作數(shù)數(shù)據(jù)通道,此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU目的總線。

  需要說(shuō)明的是,圖3中數(shù)據(jù)databus[7:0]來(lái)自數(shù)據(jù)總線,由數(shù)據(jù)通道單元特殊功能寄存器和通用寄存器提供數(shù)據(jù)。其中特殊功能寄存器包括F0間址寄存器、F1實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)寄存器RTCC、F2程序計(jì)數(shù)器PC,F(xiàn)3狀態(tài)計(jì)數(shù)器STATUS、F4寄存器選擇寄存器FSR以及F5、F6、F7 I/O寄存器??梢韵蛳略俜譃?條子數(shù)據(jù)通道,子通道選通信號(hào)為fsel[2:0],而上層數(shù)據(jù)通道開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為rf_spr_re、rf_spr_we,即特殊功能寄存器讀寫(xiě)控制信號(hào)。其具體實(shí)現(xiàn)與ALU數(shù)據(jù)通道單元類(lèi)似,這里不再贅述。

  在該款MCU IP核數(shù)據(jù)通道模型中,數(shù)據(jù)總線全部采用本文所述的Verilog HDL代碼模型描述。基于中心國(guó)際SMIC 0.35μm工藝庫(kù)(工作電壓為3伏),使用Synopsys公司VCS和 DC對(duì)該款MCU IP核進(jìn)行了仿真綜合,并進(jìn)行了功耗分析。綜合分析結(jié)果得出,該數(shù)據(jù)通道電路結(jié)構(gòu)規(guī)整,設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化,總體功耗約為49.5980mW,實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。

  本文使用固定電路結(jié)構(gòu)描述內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,通過(guò)特定層次化數(shù)據(jù)通道模型的設(shè)計(jì),體現(xiàn)了自頂向下(Top-Down)的設(shè)計(jì)方法,降低了整個(gè)MCU IP 核設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,縮短了設(shè)計(jì)周期。該設(shè)計(jì)適用于大規(guī)模系統(tǒng)芯片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

  參考文獻(xiàn)

  1 pic16c5x.pdf. Microchip Technology Inc.,1998

  2 鐘旭恒,高明倫.基于數(shù)據(jù)通道指令流程圖的硬布線控制電路設(shè)計(jì). 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2001;(5):8~11

  3 夏宇聞.復(fù)雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的Verilog HDL設(shè)計(jì)技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003:13

  4 羅 文,楊 波.寄存器傳輸級(jí)低功耗設(shè)計(jì)方法.小型微型機(jī)算機(jī)系統(tǒng),2004;(7):1207~1211

  5 孫海平,李 偉.基于資源共享的ALU設(shè)計(jì).微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2001;(5):16~20

 

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