【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(duì)魯棒性、面積、功耗、運(yùn)算速度、功能等方面都有很高的要求，設(shè)計(jì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能MCU一直是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。本文的研究正是對(duì)此做一次有益的嘗試和實(shí)踐。在深入細(xì)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(jì)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(diǎn)及的設(shè)計(jì)差別；討論了指令集的制定，指令流水線的概念及設(shè)計(jì)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(jìn)行時(shí)序電路的設(shè)計(jì)方法等技術(shù)。 本文做的工作包括：采用硬件描述語(yǔ)言VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了微處理器數(shù)據(jù)通路，控制單元的設(shè)計(jì)，并對(duì)該微處理器進(jìn)行了軟件功能測(cè)試和正確性驗(yàn)證。 數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)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(shí)器／計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)；同時(shí)還研究了控制單元的實(shí)現(xiàn)方法和有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的方法。 驗(yàn)證部分是將MCU作為一個(gè)整體處理單元在處理混合指令和一定的應(yīng)用功能時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的綜合性能做的軟件仿真測(cè)試。這種測(cè)試沒(méi)有對(duì)所有的指令進(jìn)行全面的測(cè)試，但對(duì)三個(gè)I／O的測(cè)試采用不同的測(cè)試方法達(dá)到相同的效果，測(cè)試了用不同的指令來(lái)實(shí)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(duì)MCU的測(cè)試是比較有效的測(cè)試指令及MCU綜合功能的測(cè)試方法。 最終的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)而可直接使用AVR Studio進(jìn)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(dòng)作，時(shí)序和流水線操作都正確，表明所設(shè)計(jì)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(jī)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(jiàn)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(kāi)組織和存儲(chǔ)，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令，取指和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。指指令儲(chǔ)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(yùn)運(yùn)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(diǎn)是:(l)允許數(shù)據(jù)從程序存儲(chǔ)器傳遞到SRAM，該功能也允許從程序存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)表。這對(duì)現(xiàn)代微控制器應(yīng)用十分重要，因?yàn)闉榱耸沟綦姾髷?shù)據(jù)表不丟

CCCCPUUUUUUUUUUUUU指令、數(shù)招儲(chǔ)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(gè)明顯的缺點(diǎn): (1)CPU中控制器和運(yùn)算器的速度必須與存儲(chǔ)器的速度相匹配;(2)指令和數(shù)據(jù)的流動(dòng)都通過(guò)同一條總線，使指令和數(shù)據(jù)的獨(dú)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(gè)存儲(chǔ)器。CPU首先到程序指令存儲(chǔ)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(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。與之相對(duì)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(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類(lèi)號(hào)】：TP332

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8 孫海s

本文編號(hào)：2706344