兼容51指令的8位MCU IPCORE設(shè)計(jì)

1 前言

當(dāng)前,在微電子及其應(yīng)用領(lǐng)域正在發(fā)生一場(chǎng)前所未有的變革,這場(chǎng)變革是由片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)研究應(yīng)用和發(fā)展引起的.從技術(shù)層面看SOC技術(shù)是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的必然趨勢(shì)和主流,它以超深亞微米VDSM(Very Deep Submicon)工藝和知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP核復(fù)用技術(shù)為支撐。在眾多的IP核中，MCU CORE以其在SOC中嵌入后能充分發(fā)揮其處理靈活、軟件可升級(jí)、硬件開(kāi)銷(xiāo)少的特點(diǎn)，在很大程度上成為SOC芯片必需模塊。INTEL公司的MCS-51系列MCU 可以說(shuō)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、最普及、可獲得應(yīng)用資料最多的功能強(qiáng)大的8位MCU , 所以建立兼容51指令MCU可綜合IP核對(duì)于各種嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)(SOC)的應(yīng)用具有重要意義。

圖1 IPCORE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法成功設(shè)計(jì)了與MCS-51 系列微處理器指令集完全兼容的8位嵌入式MCU核, 此核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示(整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程也是圍繞其產(chǎn)開(kāi))。

3 核內(nèi)單元(主要單元設(shè)計(jì)的概述)

3.1 ALU 單元的設(shè)計(jì)：

ALU單元由一些基本操作功能模塊(加/減法模塊、乘法模塊、除法模塊、十進(jìn)制調(diào)整模塊和邏輯模塊)構(gòu)成，整個(gè)操作是通過(guò)多路選擇器來(lái)完成的。在ALU單元的結(jié)構(gòu)上，將乘、除法單元各自獨(dú)立出來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算指令中的乘、除法運(yùn)算。這樣可以回避傳統(tǒng)典型微處理器基于累加器ACC的ALU結(jié)構(gòu)，并且由于ALU單元被設(shè)計(jì)成純組合邏輯，因而速度較快,從而提高算術(shù)運(yùn)算指令的執(zhí)行效率。

3.2 時(shí)序設(shè)計(jì)

主要從簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)、提高核的性能出發(fā)，本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用Intel MCS-51雙相時(shí)鐘的復(fù)雜時(shí)序設(shè)計(jì)，而是采用單相時(shí)鐘(單相時(shí)鐘因?yàn)樵跁r(shí)序和傳輸上比較簡(jiǎn)單可靠，被一些高性能芯片使用)、全同步設(shè)計(jì)，所有時(shí)序電路均采用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器。采用單相時(shí)鐘全同步設(shè)計(jì)會(huì)使芯片面積有所增加，但降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少了生產(chǎn)工藝不確定性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高了設(shè)計(jì)的成功率。

3.3 控制單元的設(shè)計(jì)

控制器本質(zhì)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移非常復(fù)雜的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)。從程序執(zhí)行的宏觀角度看，每一條指令對(duì)應(yīng)著這個(gè)復(fù)雜的有限狀態(tài)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)，一條一條指令的依次執(zhí)行，就是一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)移?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)主要有兩種:硬布線實(shí)現(xiàn)方式和微程序?qū)崿F(xiàn)方式?？紤]到本次設(shè)計(jì)的是一個(gè)用于SOC的IP核所以采用PLA技術(shù)，就是用存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬布線邏輯，可以認(rèn)為它是硬布線邏輯控制器和微程序控制器兩者的折衷方案。由于PLA微控制器集中了硬布線邏輯控制器與微程序控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，與硬布線邏輯控制器相比，它的設(shè)計(jì)工作量小，修改、維護(hù)都比較方便。與微程序控制器相比，它的速度較快。這些優(yōu)點(diǎn)都適合其作為內(nèi)核整合在SOC中。為了提高FSM的效率,我們把控制單元中組合邏輯和時(shí)序邏輯分開(kāi)設(shè)計(jì),組合邏輯主要輸出控制信號(hào)并且產(chǎn)生次態(tài)邏輯,時(shí)序邏輯主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)。