八位RISC微控制器IP核的设计研究.pdfVIP

第24卷 第4期 中州大学学报 2007年10月 Vo1．24 No．4 JOURNAL OF ZHONGZHOU UNIVERSITY 0ct．20o7 八位RISC微控制器IP核的设计研究 杨明明 ，王浩川 ，尚风琴 (1．河南x-ff~_学院，郑州450052；2．中州大学信息工程学院，郑州450044； 3．河南信息工程学校，郑州450008) 摘 要：分析了RISC系统结构、指令系统和系统时序，对精简指令集MCU IP核进行了顶层功能和结构的定义 与划分，建立了一个可行有效的RISC MCU IP核模型，并且采用IP核重用技术对各个模块进行了设计描述。通过利 用多种EDA工具可以对整个系统进行了仿真验证，结果表明：所设计的MCU IP核能够准确无误的执行所有指令， 并且达到了PIC16C5系列MCU的性能要求。 关键词：MCU；IP核；RISC；片上系统 中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1008—3715(2007)04—0121—03 引言 存时间，进而提高MCU效率。 随着深亚微米制造、设计技术的迅速发展，集成电路已 5．采用硬布线逻辑结构。由于指令系统和寻址方式都 进入片上系统SOC时代。从技术层面看，系统级芯片技术 得到了精简，RISC技术抛弃了微程序ROM技术，所有指令 是超大规模集成电路发展的必然趋势和主流，它以超深亚微 的译码和执行都由硬件电路直接完成，所有控制信号也由硬 米工艺和IP核复用技术为支撑。其中IP核的设计和制造 连线产生，结果指令的执行速度得到了大大的提高。 是SOC技术中最为关键的部分。建立IP核基础上的SOC 6．采用哈佛总线结构。存储结构是基于哈佛双总线概 设计，使设计方法从电路设计转向系统设计，设计重心将从 念，数据和指令传输总线完全分开以避免出现经典CISC设 今天的逻辑设计、门级布局布线、后模拟转向系统级模拟，软 计中经常出现的处理瓶颈问题。 硬件联合仿真，以及若干个IP核组合在一起的物理设计。 二、MCU IP核结构设计思想 一 、 RISC结构涉及几个方面的技术 1．子系统的划分原则 1．指令系统精简。在CISC类处理器指令系统中一般至 总体任务分成若干份子任务的过程是所有数字系统设 少拥有一二百条指令，而且指令多为变字长指令，并且寻指 计成功的关键。正确划分子系统的原则包括： 方式多而复杂。而在RISC处理器技术中，指令系统得到了 (1)整个系统的全部功能应由子系统清楚并全面的表达； 精简，指令字长也多采用定字长指令，从而使译码电路得以 (2)各子系统的逻辑功能应清楚、明确； 简化，同时又缩短了译码所需时间。本文的微控制器采用33 (3)各子系统的结构应保持完整； 条指令，兼容PIC16C5系列MCU的指令，属于精简指令集。 (4)减少各子系统间的相互依赖； 2．简单的寻址方式。在CISC类处理器中，灵活多样的 (5)适量控制子系统的规模。 寻址方式不仅增加了设计的难度，同时也给指令的学习掌握 按照以上原则，首先将MCU分解为两大子系统：控制通 带来了困难。 路和数据通路。控制部分包括复位和时钟模块，负责系统的 3．两级流水线技术。从指令执行的过程来看，每一条指 时序发生，生成各种控制信号。数据通道部分包括程序存储 令的都需要占用好几个机器周期，为了加快指令的执行，在 器、指令寄存器、专用寄存器、端口和数据存储器，数据