摘 要： 詳細(xì)論述了4位RISC" title="RISC">RISC MCU" title="MCU">MCU中斷系統(tǒng)的Verilog" title="Verilog">Verilog設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。該MCU采用PIC兩級流水線結(jié)構(gòu)，含4個(gè)中斷源，2級優(yōu)先級。最后通過整體的RISC MCU IP核對其中斷系統(tǒng)進(jìn)行完整的程序測試，完成功能與時(shí)序的仿真與驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞： verilog；PIC；RISC MCU；仿真；中斷
微控制器（MCU）包括核心指令譯碼電路、寄存器/存儲器模塊和一組輸入/輸出（I/O）模塊。當(dāng)I/O模塊處于操作進(jìn)行時(shí)，I/O模塊中斷機(jī)制使微處理器可以忙于執(zhí)行其他指令，取消MCU對端口的不必要等待時(shí)間，從而大大提高了MCU的執(zhí)行效率[1]。
在微控制器或微處理器的設(shè)計(jì)中，控制信號的設(shè)計(jì)是最復(fù)雜的，而在控制信號的設(shè)計(jì)中，中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又是最困難的部分[1]。本文以自主所開發(fā)的4位RISC MCU IP核為載體，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，給出了其中斷系統(tǒng)的Verilog硬件描述語言的具體實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)可以作為一個(gè)功能部件, 直接在微控制器中加以運(yùn)用, 對各種復(fù)雜中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。
1 中斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所處的載體是由自身所研發(fā)的、采用數(shù)據(jù)總線和指令總線相互分離的哈佛雙總線和Microchip技術(shù)公司的微控制器PIC的兩級流水線機(jī)制[2]。中斷系統(tǒng)的主要功能與MCS-51相同，有4個(gè)中斷請求源，2個(gè)中斷優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)2級中斷服務(wù)程序嵌套。整個(gè)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。具體的設(shè)計(jì)主要包含以下四個(gè)設(shè)計(jì)過程[3]：
(1)微控制器如何識別發(fā)生了哪個(gè)中斷；
(2)出現(xiàn)多個(gè)中斷時(shí), 微處理器優(yōu)先處理哪個(gè)中斷；
(3)微控制器如何處理中斷嵌套；
(4)微控制器如何處理中斷執(zhí)行周期。
其中，(1)是中斷源的問題，(4)是中斷響應(yīng)時(shí)間的考慮，(2)和(3)歸結(jié)起來就是中斷優(yōu)先級單元的設(shè)計(jì)。
1.1 中斷源
系統(tǒng)的4個(gè)中斷源分別是：外部中斷SE（由I/O提供）；片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的溢出中斷請求ST；片內(nèi)基準(zhǔn)定時(shí)器BT0的溢出中斷請求SB；液晶驅(qū)動模塊的中斷請求SL和中斷系統(tǒng)相關(guān)的特殊功能寄存器及有中斷允許控制寄存器IE，中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和中斷請求標(biāo)志寄存器IF。IF、IE、IP寄存器中的中斷源排位順序一致，它們都可通過字節(jié)的指令操作來進(jìn)行讀寫，MCU復(fù)位時(shí)，全部為0。當(dāng)MCU同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級的中斷請求時(shí)，由同級內(nèi)的優(yōu)先查詢順序確定哪個(gè)中斷請求得到響應(yīng)。各中斷源得相應(yīng)中斷入口地址、默認(rèn)同級優(yōu)先級及IF/IE/IP寄存器的各位名稱如表1所示。
IE的相應(yīng)位置1，表明相應(yīng)的中斷源為允許，為0時(shí)，則是屏蔽；IF的相應(yīng)位置1，表明相應(yīng)的中斷源有請求，為0，則沒有中斷源請求；IP的相應(yīng)位為1，表明相應(yīng)的中斷源為高優(yōu)先級中斷，為0，則為低優(yōu)先級中斷。該部分的相關(guān)Verilog代碼如下（以基準(zhǔn)定時(shí)中斷為例）：
//基準(zhǔn)定時(shí)模塊中斷源信號(高電平脈沖)的系統(tǒng)時(shí)鐘同步；
always@(sysclk) begin
int_base1<=int_base；
int_base2<=int_base1；end
assign SB=!int_base1&int_base2；
//中斷請求標(biāo)志位：可由中斷源SB觸發(fā)，也可通過對IF
//的字節(jié)操作對其置位或清零，其余情況下則保持原狀態(tài)
//不變。
assign FB=(resetn==0)? 1′b0：
(SB==1)? 1′b1：
(IF_wr)? IF[2]：
LF；
//把中斷請求標(biāo)志位寫回中斷請求暫存寄存器IF_out，若有
//對IF進(jìn)行寫操作（IF_wr=1），則把IF_out寫回。
assign IF_out={FB，F(xiàn)T，F(xiàn)E，F(xiàn)L}；
//中斷請求響應(yīng)條件位
assign FB_f=FB&IE[2]；
1.2 中斷優(yōu)先級設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)置有2個(gè)中斷優(yōu)先級，對于每一個(gè)中斷請求源可編程為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷。中斷系統(tǒng)中有2個(gè)不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)編碼器，一個(gè)指出MCU是否有高優(yōu)先級的中斷信號，另一個(gè)指出MCU是否有低優(yōu)先級的中斷信號。可根據(jù)這兩個(gè)編碼器的值來判斷系統(tǒng)所處的中斷狀態(tài)。此部分為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
如圖1所示，把高、低優(yōu)先級的中斷分別歸類到高優(yōu)先級編碼器（encoder2）和低優(yōu)先級編碼器（encoder1），無中斷時(shí)，兩編碼器值都為零。若有一個(gè)不為零或兩個(gè)都不為零，則會產(chǎn)生一中斷信號（int_out），且會根據(jù)兩優(yōu)先編碼器的值來確定中斷入口地址（int_pc）、中斷嵌套（int_nesting）、中斷嵌套返回（int_nest_back）等信號，并將它們送入PC與堆棧處理模塊。當(dāng)然PC與堆棧模塊也會產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號以處理多種中斷情況。相關(guān)的重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)代碼如下：
//低優(yōu)先級編碼器的輸入端選擇
assign encoder1_in[0]=(int_pri[0]==0)?FL:1′b0；
assign encoder1_in[1]=(int_pri[1]==0)?FE:1′b0;
assign encoder1_in[2]=(int_pri[2]==0)?FT:1′b0;
assign encoder1_in[3]=(int_pri[3]==0)?FB:1′b0;
//高優(yōu)先級編碼器的輸入端選擇
assign encoder2_in[0]=(int_pri[0]==1)?FL:1′b0;
assign encoder2_in[1]=(int_pri[1]==1)?FE:1′b0;
assign encoder2_in[2]=(int_pri[2]==1)?FT:1′b0;
assign encoder2_in[3]=(int_pri[3]==1)?FB:1′b0;
//低優(yōu)先級編碼器的實(shí)現(xiàn)：無中斷時(shí)，值為0，進(jìn)中斷時(shí)優(yōu)先
//編碼賦值。其中把值寄存一次，用以辨別中斷源變化時(shí)的
//編碼狀態(tài)，做為中斷嵌套等多種中斷情況的信號辨別條
//件；高優(yōu)先級編碼器的實(shí)現(xiàn)與低優(yōu)先級類同，結(jié)果為out2
//和out2_pre。
always@(encoder1_in or out1)
begin
out1_pre<=out1；
casex(encoder1_in)
4′b0000：out1=3′b000；
4′b0001：out1=3′b001；
4′b001x：out1=3′b010；
4′b01xx：out1=3′b011；
4′b1xxx：out1=3′b100；
default：out1=3′b000；
endcase
end
//根據(jù)高低編碼器出來的結(jié)果辨別優(yōu)先級，即該跳轉(zhuǎn)的中斷
//向量地址。先僅取用到的5位數(shù)，用時(shí)再與前面補(bǔ)零；其
//中也已包含了同級默認(rèn)優(yōu)先級的功能；
assign int_pc= (out2==3′b100) ? 4′b0011：
(out2==3′b011) ? 4′b0101：
(out2==3′b010) ? 4′b0111：
(out2==3′b001) ? 4′b1001：
(out1==3′b100) ? 4′b0011：
(out1==3′b011) ? 4′b0101：
(out1==3′b010) ? 4′b0111：
(out1==3′b001) ? 4′b1001：
4′b0000；
//中斷信號的產(chǎn)生，int_out_clear為PC和堆棧模塊的反饋信
//號；
assign int_out=(int_out_clear==1)? 1′b0：
((out2!=3′b000)||(out1!=3′b000))? 1′b1：1′b0；
//中斷嵌套信號的條件是通過兩編碼器輸出結(jié)果的變化推
//斷出來的，且已通過驗(yàn)證證明是正確的。中斷嵌套返回的
//方法與此同，不細(xì)述。
assign
int_nest=(((out1!=3′b000)&(out2_pre==3′b000)&(out2!=
3′b000))==1′b1)?1′b1：1′b0；
//int_nest為一辨別信號，將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)脈沖信號；
always@(posedge sysclk) begin
int_nest1<=int_nest；
int_nest2<=int_nest1；
if(!int_nest2&int_nest)
int_nesting<=1；
else int_nesting<=0；end
1.3 中斷響應(yīng)
中斷延遲是MCU的一個(gè)重要參數(shù), 通常是指在最壞情況下響應(yīng)中斷的最長時(shí)間。因系統(tǒng)屬于RISC單周期指令，也就不存在CISC中存在的指令未執(zhí)行完而被打斷的情況。當(dāng)然MCU也是在現(xiàn)行一條指令執(zhí)行完畢即下一個(gè)指令周期的Q1才開始響應(yīng)中斷的，并不是在一條指令執(zhí)行期間響應(yīng)中斷，這樣MCU才能正確返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。由此也可知道系統(tǒng)大部分時(shí)刻中斷響應(yīng)時(shí)間為1個(gè)指令周期；除非正在執(zhí)行的指令是現(xiàn)場保護(hù)（入棧）、現(xiàn)場恢復(fù)（出棧），則需要等這些指令執(zhí)行完之后，再去響應(yīng)新的中斷請求，這一點(diǎn)本系統(tǒng)是通過軟件程序來實(shí)現(xiàn)。軟件程序的具體編寫步驟與MCS-51相似，見參考文獻(xiàn)[4]。
1.4 PC與堆棧模塊
PC與堆棧模塊通過接收來自中斷優(yōu)先級模塊的信號處理多種中斷情況的發(fā)生，并產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號，且完成了現(xiàn)場保護(hù)（入棧）、現(xiàn)場恢復(fù)（出棧）、PC預(yù)取值等重要操作。除了跳轉(zhuǎn)地址須等指令周期的Q4外，其余的大部分操作皆于Q1時(shí)刻完成。
always@(posedge clk1 or posedge int_nesting or negedge resetn) begin
if(resetn==0)
……
//中斷嵌套信號需把int_out_clear清零，以辨別新中斷信號；
//當(dāng)有中斷信號后的下一個(gè)Q1，置int_out_clear為1；中斷
//返回指令RTI時(shí)置其為0；其余時(shí)刻保持不變。
else if(int_nesting) int_out_clear<=0；
else begin
pc_plus1<=pc_fetch+1；
pc<=pc_fetch；
casex({int_out，inst[15：12]})
5′b1xxxx：begin
int_out_clear<=1
//pc_int：中斷發(fā)生標(biāo)志；pc_pop：中斷返回標(biāo)志
pc_int<=1；
pc_pop<=0；
//中斷嵌套返回時(shí)刻并不執(zhí)行壓棧操作，而應(yīng)返回原壓棧值
if(int_nest_back==0)
……//壓棧
5′b01111：begin
pc_pop<=1；
pc_int<=0；
int_out_clear<=0；
……//進(jìn)棧
default:begin
pc_pop<=0；
pc_int<=0；end
//預(yù)取值地址的辨別
assign pc_fetch=(resetn==0) ? 12′b0000_0000_0000：
(pc_pop==1) ? pc_fetch_pop：
(int_nest_back&pc_int) ? pc_fetch_pop：
(pc_int==1) ? {8′b00000000，int_pc}：
(sys_jmp==1) ? pc_jmp：
pc_plus1；
2 系統(tǒng)的測試與驗(yàn)證
本中斷系統(tǒng)屬于自主設(shè)計(jì)的RISC MCU IP核的子模塊，其功能與時(shí)序仿真也是在整個(gè)IP核上進(jìn)行的。經(jīng)過六個(gè)含中斷程序的下載驗(yàn)證和不斷完善，整個(gè)中斷系統(tǒng)是完全正確且可行的。功能仿真時(shí)，采取了將測試向量(匯編代碼)通過虛擬ROM進(jìn)行驗(yàn)證的方式；時(shí)序仿真則是利用Altera公司的LPM ROM/RAM模塊完成。前者的平臺是modelsim 6.0se，后者是quartus6.0?，F(xiàn)舉例詳細(xì)說明：設(shè)置IE為0111，IP為0110。步驟如下：
(1)運(yùn)行主程序，等待中斷信號；
(2)先獲得液晶中斷源SL并執(zhí)行相應(yīng)的中斷源程序，但在其中斷程序未執(zhí)行完之前，又來外部中斷源SE，此時(shí)因中斷源有高低優(yōu)先級之別，應(yīng)有中斷嵌套狀況；
(3)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行外部中斷程序，但又在外部中斷程序未執(zhí)行完之前，獲得定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源ST，此時(shí)因中斷源同是高優(yōu)先級中斷，故不予理睬，但定時(shí)/技術(shù)中斷器請求信號卻一直保持，直至外部中斷程序完畢后，系統(tǒng)緊接著響應(yīng)定時(shí)/技術(shù)器中斷；
(4)定時(shí)/技術(shù)器中斷程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)返回液晶中斷程序繼續(xù)執(zhí)行；
(5)待液晶中斷程序執(zhí)行完后，系統(tǒng)跳回主程序。
具體的仿真結(jié)果完全符合功能要求，時(shí)序圖如圖2所示。
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、自動化生產(chǎn)、智能化設(shè)備以及儀器儀表等領(lǐng)域，在國內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景，其設(shè)計(jì)也日益受到人們的重視。中斷系統(tǒng)是微控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文介紹的中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有很好的借鑒意義。采用這種用Verilog實(shí)現(xiàn)的自頂向下的方法，使問題在RTL級就暴露出來，便于及時(shí)修改，大大減少了開發(fā)時(shí)間。包含上述中斷系統(tǒng)的4位RISC MCU IP核也已測試及驗(yàn)證成功。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡永華，高明倫，王銳.微處理器中中斷電路的高層設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2001，(4).
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[3] 朱良辰，胡越黎，冉峰.高速M(fèi)CU核中并行優(yōu)先級中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)，2004，34(4)：482.
[4] 張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用(第1版)[M].北京：高等教育出版社，2004，(1)：112.