【摘要】： 微控制器(MCU)是許多數(shù)字系統(tǒng)的核心部件，其控制復(fù)雜，對魯棒性、面積、功耗、運算速度、功能等方面都有很高的要求，設(shè)計擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能MCU一直是集成電路設(shè)計領(lǐng)域一個富有挑戰(zhàn)性的課題。本文的研究正是對此做一次有益的嘗試和實踐。在深入細致地研究了Atmel公司的AT90S1200系列微控制器的指令系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，深入理解了微控制器的工作作原理和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，確定微控制器的總體結(jié)構(gòu)，以及各層次模塊的功能和結(jié)構(gòu)。 討論了RISC和CISC各自的特點及的設(shè)計差別；討論了指令集的制定，指令流水線的概念及設(shè)計方法，以及由于引入流水線而引起的數(shù)據(jù)沖突和解決辦法；MCU整體架構(gòu)的分析，用FPGA進行時序電路的設(shè)計方法等技術(shù)。 本文做的工作包括：采用硬件描述語言VHDL語言設(shè)計了微處理器數(shù)據(jù)通路，控制單元的設(shè)計，并對該微處理器進行了軟件功能測試和正確性驗證。 數(shù)據(jù)通路的設(shè)計包括：PC模塊、IR模塊、通用寄存器模塊、狀態(tài)寄存器模塊、ALU模塊、取指單元模塊、定時器／計數(shù)器模塊、I／O單元模塊及外部中斷模塊等電路模塊的設(shè)計與實現(xiàn)；同時還研究了控制單元的實現(xiàn)方法和有限狀態(tài)機設(shè)計的方法。 驗證部分是將MCU作為一個整體處理單元在處理混合指令和一定的應(yīng)用功能時所表現(xiàn)出來的綜合性能做的軟件仿真測試。這種測試沒有對所有的指令進行全面的測試，但對三個I／O的測試采用不同的測試方法達到相同的效果，測試了用不同的指令來實現(xiàn)相同功能的MCU的指令的靈活性。因此這些指令組合成一起的程序段對MCU的測試是比較有效的測試指令及MCU綜合功能的測試方法。 最終的仿真驗證結(jié)果表明，所設(shè)計的MCU完全兼容AT90S1200的指令集。匯編源程序的編譯環(huán)境不需要另外開發(fā)而可直接使用AVR Studio進行編譯。仿真的結(jié)果表明MCU能按照預(yù)想的指令執(zhí)行預(yù)定的動作，時序和流水線操作都正確，表明所設(shè)計的MCU基本符合要求。
【圖文】：

和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如MicrochiP公司的PIC16芯片的程序指令是12位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度，，Aimel公司的AVR單片機AT90S系列程序指令是16位寬，數(shù)據(jù)是8位寬。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器(見圖2一2示意)通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲，執(zhí)行時可以預(yù)先讀取下一條指令，取指和執(zhí)行能完全重疊運行。指指令儲了子器器器器器器器器器 扮 扮扮扮于七咋器器 奢奢奢奢奢奢奢奢奢交旗烏〔l一鑫存器 器運運玄7器 器器 器圖2一2哈佛結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:(l)允許數(shù)據(jù)從程序存儲器傳遞到SRAM，該功能也允許從程序存儲器中讀取數(shù)據(jù)表。這對現(xiàn)代微控制器應(yīng)用十分重要，因為為了使掉電后數(shù)據(jù)表不丟

CCCCPUUUUUUUUUUUUU指令、數(shù)招儲存器器jjjjj三芬器 器 器 K:.11111圖2一1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)有兩個明顯的缺點: (1)CPU中控制器和運算器的速度必須與存儲器的速度相匹配;(2)指令和數(shù)據(jù)的流動都通過同一條總線，使指令和數(shù)據(jù)的獨立性大大削馬馬。目前，RISC架構(gòu)的微處理器都采用哈佛結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有分離地址總線的兩個存儲器。CPU首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與之相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線:程序總線和數(shù)據(jù)總線
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TP332

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;新型ConcertoTM雙核微控制器,重新構(gòu)建嵌入式控制系統(tǒng)[J];電子設(shè)計工程;2011年13期

2 ;富士通半導體應(yīng)對全球汽車行業(yè)需求 強力擴大微控制器產(chǎn)品陣容[J];微型機與應(yīng)用;2011年14期

3 ;瑞薩電子新推出6款支持以太網(wǎng)絡(luò)及MOST網(wǎng)絡(luò)之第四代32位微控制器[J];電子與電腦;2011年07期

4 ;適用于微控制器的CubeSuite+集成型開發(fā)環(huán)境[J];電子制作;2011年07期

5 ;富士通半導體最新推出內(nèi)置模擬比較器和運放的8位微控制器[J];電源技術(shù)應(yīng)用;2010年09期

6 ;愛特梅爾推出具有USB和高精度模擬功能的超低功耗8/16位微控制器[J];電子與電腦;2011年08期

7 ;愛特梅爾擴展ARM926-based微控制器系列[J];電子與電腦;2011年09期

8 ;飛思卡爾宣布面向汽車應(yīng)用推出功能強大的多功能32位微控制器[J];電子技術(shù)應(yīng)用;2011年03期

9 ;恩智浦推出LPC1200工業(yè)控制系列[J];電子技術(shù)應(yīng)用;2011年04期

10 沈熙磊;;盛群半導體推出大容量微控制器[J];半導體信息;2011年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 黃建平;;USB接口在串行通信中的應(yīng)用[A];’2003天津IT、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、電子、儀器儀表創(chuàng)新學術(shù)會議論文集[C];2003年

2 魏靈坤;胡春華;劉志軍;;基于ATT7022B的三相多功能電能表的設(shè)計[A];2008中國電力系統(tǒng)保護與控制學術(shù)研討會論文集[C];2008年

3 鄭海波;郭龍;張宗玉;;一種新型的遙測智能污水流量計的實現(xiàn)[A];中國儀器儀表學會第三屆青年學術(shù)會議論文集（上）[C];2001年

4 趙雪蓮;楊新濤;;AT89C2051測試方法的研究與實現(xiàn)[A];第一屆中國微電子計量與測試技術(shù)研討會論文集[C];2008年

5 孫榮高;孫德超;殷偉鳳;;現(xiàn)場總線液晶顯示節(jié)點開發(fā)與應(yīng)用[A];全國先進制造技術(shù)高層論壇暨第七屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會論文集[C];2008年

6 張厚武;姚凱學;;太陽能干燥設(shè)備控制器的設(shè)計[A];第六屆全國信息獲取與處理學術(shù)會議論文集（3）[C];2008年

7 劉培基;;基于大容量閃存的HOLTER記錄儀的設(shè)計[A];第二屆全國信息獲取與處理學術(shù)會議論文集[C];2004年

8 孫海s

本文編號：2706344