《電子技術(shù)應(yīng)用》
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16位微控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
電子設(shè)計(jì)工程 劉麗 劉第
摘要:  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。
Abstract:
Key words :

     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Verilog HDL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)。
 
  如圖4所示,在加法指令的最后一個(gè)周期(cycle=05),CU單元取指信號(hào)codefetche有效,則下一條指令的操作碼(6C,乘法操作碼)被預(yù)取出來(lái),同時(shí)進(jìn)行查表譯碼確定其指令字節(jié)長(zhǎng)度和指令周期數(shù),隨后操作碼被存入指令寄存器instr中(此時(shí),指令周期計(jì)數(shù)器cycle又從01開(kāi)始計(jì)數(shù))。后面乘法指令的操作數(shù)也會(huì)不斷被取進(jìn)來(lái)執(zhí)行,直到乘法指令最后一個(gè)周期時(shí),又將下一條指令的操作碼預(yù)取進(jìn)來(lái)。
       需要說(shuō)明:codefetche為取操作碼信號(hào),datafetche為取操作數(shù)信號(hào)。在指令最后一個(gè)周期時(shí)若有中斷請(qǐng)求,則插入LCALL指令進(jìn)行中斷處理,讀取下一條指令。其流程如圖5所示。
  2.4 指令譯碼過(guò)程
  在MCU設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先完成對(duì)各條指令的指令分析工作,確定每個(gè)周期該做的動(dòng)作,然后各部件依據(jù)指令分析表進(jìn)行相關(guān)的指令譯碼(RAM控制器只譯RAM要做的動(dòng)作,ALU只譯ALU要做的動(dòng)作)。過(guò)程描述如下:在預(yù)取操作碼時(shí),CU單元對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼確定指令的字節(jié)長(zhǎng)度(nr_bytes)和指令周期數(shù)(nr_cycles)。然后CU依據(jù)指令字節(jié)長(zhǎng)度(nr_bytes)取操作數(shù),其他部件依據(jù)指令和當(dāng)前指令周期(curcycle)執(zhí)行相應(yīng)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(guò)程來(lái)說(shuō)明整個(gè)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(biāo)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(shí)際指上一條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期,此周期codefetche取指信號(hào)有效,IPU單元將指令送入CU單元確定了指令周期和指令長(zhǎng)度。
 
  3)l周期 取操作數(shù)信號(hào)datafetche有效,op2(地址)進(jìn)來(lái),被送入RAM地址線,發(fā)讀信號(hào)(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(hào)datafetche有效,opl(地址)進(jìn)來(lái),被送入RAM地址線,發(fā)讀信號(hào)。
 
  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(jìn)行a+b運(yùn)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(hào)。將加法結(jié)果寫回到opl中,并依據(jù)結(jié)果對(duì)PSW進(jìn)行處理。
 
  7)5周期 無(wú)動(dòng)作,用于寫回操作的過(guò)程。
 
  3 驗(yàn)證結(jié)果
  3.1 仿真驗(yàn)證
  芯片的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),只是設(shè)計(jì)流程的一部分,為保證最終設(shè)計(jì)成功,必須對(duì)其全面仿真與功能驗(yàn)證。對(duì)MCU的測(cè)試方法如下:1)功能模塊的單元測(cè)試,驗(yàn)證模塊的功能正確性,包括接口時(shí)序等。2)系統(tǒng)集成測(cè)試,首先編寫簡(jiǎn)單的機(jī)器碼測(cè)試向量進(jìn)行初步調(diào)試:然后使用編譯器寫匯編程序,編譯成二進(jìn)制機(jī)器碼進(jìn)行程序功能測(cè)試。在集成測(cè)試中,編寫匯編測(cè)試程序,用編譯器編譯成機(jī)器碼,在Cadenee NC下運(yùn)行這些測(cè)試程序進(jìn)行仿真測(cè)試。對(duì)每條指令均測(cè)試了其各種尋址方式,且測(cè)試程序自動(dòng)向DEBUG寄存器寫測(cè)試結(jié)果,以方便調(diào)試。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的測(cè)試和不斷修正,驗(yàn)證結(jié)果顯示MCU指令執(zhí)行的正確性。
 
  3.2 FPGA驗(yàn)證
  使用的FPGA器件是StraTIxⅡ型號(hào)為EP1S40F780C7。綜合結(jié)果顯示:A8096使用3 565個(gè)LE(Logic Element)。時(shí)序分析結(jié)果:A8096可以運(yùn)行在49.93 MHz的時(shí)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(shè)計(jì)中,采用RISC技術(shù)中的硬布線控制邏輯,有利于減少M(fèi)CU面積、降低功耗以及提高M(jìn)CU執(zhí)行效率,F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)表明其只占用了3 565個(gè)LE單元,工作時(shí)鐘可達(dá)50 MHz。同時(shí)該MCU具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與實(shí)用性,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,可方便與定時(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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