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基于RISC技術的8位微控制器設計
摘要：介紹基于RISC技術的8位微控制器的設計與實現。主要包括RISC指令集的選取；取指單元、譯碼單元、執行單元的設計；取指、譯碼、回寫三級流水線技術的實現。該微控制器包含8級硬件堆棧、1個8位計數器、1個計數器溢出中斷、2個外部中斷源、8位數據輸入和輸出端口、16個通用寄存器、2K×16位的程序存儲器、512字節的數據存儲器。設計使用可綜合的Verilog語言描述， QuartusⅡ軟件仿真，FPGA器件驗證實現。引 言
??隨著微電子技術的不斷發展，超大規模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高，將整個應用電子系統集成在一個芯片中(SoC)，已成為現代電子系統設計的趨勢；以往高復雜度、高成本的嵌入式系統結構能夠通過低成本的單片芯片實現。另一方面，復雜可編程邏輯器件(CPLD)和現場可編程門陣列(FPGA)集成度和速度不斷提高，功能不斷增強，開發人員可以使用高性能的EDA綜合開發工具和硬件描述語言(HDL)在短時間內設計出復雜的電子應用系統。目前，嵌入式系統已經在各行各業得到廣泛應用。工控、通信、汽車、航空航天以及軍事等各個領域都能看到嵌入式系統的身影，而微控制器(MCU)則是嵌入式系統的核心。
1 精簡指令集計算機(RISC)
1.1 RISC的結構特征和設計原則
精簡指令集計算機具有單周期單指令，存儲器到寄存器的操作，簡單的尋址方式和簡單的指令格式的結構特征，其設計原則為：
① 選擇使用頻率高的指令，補充少量高效指令；
② 指令的結構簡單，所有指令長度相等；
③ 采用流水線技術，盡量使CPI = 1；
④ 使用Load/Store操作指令訪問存儲器；
⑤ 采用通用寄存器(GPR)結構；
⑥ 優化編譯，提高執行效率。
1.2 性能因子CPI和執行時間
性能因子是指微控制器每條指令的平均時鐘周期數CPI（Cycles Per Instruction）：
程序總的執行時間t為：
執行時間是微控制器性能的主要指標。在影響t的三個因素中，時鐘頻率取決于硬件技術；CPI與指令集和MCU的組成結構有關；而指令數由指令集和編譯技術決定。要使微控制器的性能得到提高，優化指令集、減少程序的總指令數和降低CPI值是設計主要考慮的問題。
2 微控制器的系統結構
圖1所示的微控制器主要由以下幾個模塊組成：
① PROM程序存儲器單元(Program ROM)。程序存儲器容量為2K×16位。系統復位后，程序計數器PC指向程序存儲器000H單元，程序從000H處開始執行。
② IDEC指令譯碼單元(Instruction Decoder)。指令譯碼器對輸入的16位寬指令進行譯碼，輸出寄存器、數據存儲器的地址和讀/寫控制信號。
③ ALU算術邏輯運算單元(Arithmetic Logic Unit)。ALU單元是MCU數據處理的核心部分，數據寬度為8位，具有加、減、邏輯運算和移位功能。ALU單元有2個8位的數據輸入和1個8位數據輸出，1位進位輸入，1位進位標志輸出和零標志輸出。運算操作碼輸入為4位，由譯碼單元提供。
④ REGS寄存器單元(Register)。1組16個8位寄存器，用于數據的高速存取。寄存器組具有2個數據輸出端口和1個數據輸入端口，讀和寫地址分開，可同時進行讀/寫操作。
⑤ DRAM數據存儲器單元(Data RAM)。包含4段共512字節(每段128字節)的數據存儲器，直接尋址能力為128字節，間接尋址能力為256字節，由程序狀態控制寄存器PSW的高2位控制段選地址。
⑥ CTRL控制單元(Control Unit)。整個MCU的控制中心，主要控制流水線操作、數據總線的控制和程序計數器的轉移。另外，還包括中斷、計數器和堆棧控制。
⑦ 其它。定義了1組數據輸入端口、2組數據輸出端口，數據位寬均為8位；2個外部中斷輸入INT0和INT1；1個8位計數器TIMER；7級程序堆棧Stack，可實現7級子程序調用；1個8位的程序狀態控制寄存器PSW。各位功能如表1。
表1 PSW各位功能
3 流水線技術
3.1 三級流水線結構
微控制器采用取指(IF)、執行(EX)、回寫(WB)三級流水線結構，如圖2。各階段的主要功能為：
取指級——從程序存儲器中取出一條指令，同時進行指令譯碼，準備寄存器、存儲器的讀地址，讀/寫控制信號；
執行級——數據輸入ALU單元運算，同時準備寄存器或存儲器的寫地址；
回寫級——將ALU輸出的運算結果寫入寄存器或存儲器中。
3.2 流水線競爭及解決
控制競爭，由程序PC 指針值的改變引起。當執行跳轉指令時，PC指針值要到執行級才能改變，這將會使下一拍的取指操作出錯。這時必須由硬件插入一條空操作NOP指令，等待P
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