第六章微处理器解读.doc

微处理器 微处理器是典型的LSI、VLSI器件，在微处理器的设计中集中了多种VLSI设计技术与模块结构。在本章中我们并不讨论微处理器本身的系统设计，而是讨论如何用VLSI的设计技术与模块结构去实现常规微处理器内核（Core）的逻辑模块。 6.1 系统结构概述 微处理器在当今的世界上得到非常广泛地应用，几乎到了无所不在，无所不能的地步。微处理器的品种非常多，人们根据不同的需要采用不同的微处理器。早期人们使用通用型微处理器，通过软件编程和外围电路的设计实现所需的功能。在此基础上，设计者逐渐地将一些功能模块加入微处理器结构，设计内置ROM驻留用户程序，逐渐形成了适用于一类工作的专用微处理器。这种微处理器可以独立地承担用户的任务，通常也称这种微处理器为单片机。虽然专用微处理器的核心部分和通用微处理器并无什么区别，但专用微处理器所具有的一些功能模块却给用户带来极大的便利。例如，配置了模数转换模块和数模转换模块的微处理器，可以直接处理模拟信号，而不必在外围附加转换电路，实现了小型化或微型化。 在传统的微处理器设计过程中，人们一般以8位，16位，32位二进制数为一个字，内部指令的传送、处理都是以字来进行，外部数据的进出也以字进行，总线结构也都是以8的二倍数设定宽度。这种以完整的字结构形式构造的微处理器被封装在一定形式的管座中。早期因为封装技术的落后，不能有效地解决热的问题，只好以比较少的位数(8位)构造微处理器，出现了所谓的位片微处理器，处理完整字长的数据需要几个位片进行组合。至今，位片机还有许多用途，尤其是1位位片和4位位片，以其成本低廉而在家电市场占有一席之地。 不论是通用微处理器，还是单片微处理器或位片微处理器，其基本内核的构成都很相近。 积木块结构是微处理器的典型版图结构，这是因为微处理器本身是模块化的结构。通常的微处理器由两个空间（或称为通道）和通讯连线组成，两个空间是程序空间（又称为控制通道）和数据空间（又称为数据通道），通讯连线主要是指总线，这样的分离式的结构被称为哈佛结构。 程序空间主要包括：控制器（Controller），程序计数器（PC）和堆栈（Stack），或还包括程序ROM。 数据空间主要包括：算术逻辑单元（ALU），累加器（ACC），移位器（Shifter）和寄存器（Register），或还包括RAM。 总线有几种形式：分离的程序总线和数据总线（双总线、三总线）和合并总线（程序、数据复用总线）。 微处理器的操作过程实际上是根据用户预先设置的顺序（用户程序）进行逻辑运算的过程，在每一步的逻辑运算过程中，微处理器和通常的数字逻辑几乎没有什么区别。一条指令进入操作的过程，实际上是一组数字信号作为输入激励去驱动微处理器内部的逻辑模块进行适当地逻辑运算的过程。而每一次运算的结果之一是产生下一条指令的地址，这可能是现地址加一，也可能是加了若干偏移后的地址（如跳转指令）。微处理器就是这样不断地取得输入信号，不断地逻辑运算，一步步地顺序完成人们要求的操作。 从微处理器的工作原理和组成可以知道，微处理器实际上是由一系列的数字逻辑构成，那么，微处理器模块的设计实质上是数字逻辑模块的设计。在当今的微处理器设计中所采用的主要技术是所谓的结构化设计，就是用规则、重复的单元去构造和实现所需要的逻辑。 6.2 微处理器单元设计 在这一节中，我们将介绍微处理器主要组成单元的结构及设计，从中将了解到VLSI技术在单元构造和实现中的应用。 6.2.1 控制器单元 控制器是微处理器的主控单元，也是不同微处理器之间差异最大的单元。它的功能是根据指令或直接给予微处理器的控制产生一系列的输出信号，去控制相关逻辑单元进行适当的操作和运算。早期的控制器是采用随机逻辑实现，由于随机逻辑采用了多种不同的基本逻辑单元，因此，在版图设计中将花费较长的设计周期，并且测试和修改困难。因此，人们逐渐的用规则、重复的结构化单元去取代随机逻辑。在现在的微处理器中，许多控制器已采用PLA技术和微码控制器（MicroCoded Controller）技术进行设计。 PLA技术适合于设计小的控制器，对于要求大量输出信息的控制器，PLA的结构就将变的十分复杂，并且难以高效设计，一个重要的原因是PLA的基础是布尔函数。当然，也可以用几块小的PLA来实现大的逻辑。 微码控制器的一个重要的特性是它可以具有非常宽的控制字输出。所谓微码控制器实际上就是一块ROM和相应的地址发生器的组合，它包含了全部的控制信息。我们并不需要关心控制器是什么函数关系，只要知道在一个特定的状态下，它应给出什么输出即可。一个简单的微码控制器结构如图6.1所示。 图6.1 简单微码控制器 这个简单的微码控