8位MCU（微控制器）體系架構特征及設計原則

1.引言

微控制器(Microcontroller)自上世紀70年代出現以來，在將近30年的時間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應用。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點被廣泛應用于家用電器、計算和外設、通訊、工業(yè)控制、自動化生產、智能化設備以及儀器儀表等領域，成為科研、教學、工業(yè)技術改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結構的簡單微控制器到現在普遍采用哈佛總線結構的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展 。

8位微控制器是目前應用數量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場;其市場及價格競爭都極為激烈，各種多功能需求以及不同規(guī)格的產品推陳出新的速度也極為快速。隨著集成電路和半導體工藝技術的快速發(fā)展，FPGA和SOC技術的不斷競爭和融合，電子產品的設計逐漸向系統(tǒng)性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、開發(fā)更容易的方向發(fā)展。因此，迅速推出符合市場需求的高性價比、低功耗、高經濟效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現今不少公司競爭相逐的熱點。

2.目前8位微控制器的更新和設計趨勢

對于不同的微控制器(MCU)產品應用，不僅需要考慮不同廠家MCU的性價比，而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應用特點。針對不斷涌現出來的新的智能化電子產品，人們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應用的MCU新產品。不同廠家的MCU產品其指令集各不相同，特別是指令集系統(tǒng)架構的不同，如市場上廣泛應用的MCS51系列和PIC系列微控制器則分別采用CISC指令系統(tǒng)和RISC指令系統(tǒng)。

微控制器按照指令系統(tǒng)可以分為CISC、RISC、類RISC(RISC-LIKE)等幾種。傳統(tǒng)的MCS51控制器屬于CISC型，其代碼密度高，但大多數指令需要多個時鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點。RISC和類RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來的硬布線結構和流水線結構。簡單的指令集可以用硬布線進行指令譯碼，而不需要用微碼控制的方式，提高了譯碼的效率。流水線結構將指令分成幾步完成，在流水線填滿工作時，每條指令的平均執(zhí)行時間(CPI)在1個時鐘周期左右。一般來說，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同時更容易設計和糾錯。

因此，目前對8位微控制器的產品開發(fā)和研究設計主要是以兼容市場上已被客戶廣泛采用的產品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應市場競爭和技術發(fā)展。對于原先為CISC指令系統(tǒng)的微控制器產品，在層出不窮的更新系列中已經漸漸的融合進了RISC思想;對于采用RISC指令系統(tǒng)的微控制器來說，更多的做法仍然是針對高性能低功耗的需求對其整個體系架構不斷地進行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結構的改進最為多見。本文正是在這種形勢下提出的，主要討論RISC體系架構的8位微控制器產品的設計技術。

3.RISC微處理器的結構特征和設計原則

雖然現在業(yè)界對RISC 處理器應該具有什么特征還有不同的看法，但是各種RISC結構都有一些共性：(1)采用哈佛總線結構，大多數指令在一個時鐘周期內完成以便于實現結構流水化;(2)采用獨立且簡單的裝載/存儲結構;(3)指令解碼通常都是硬連線實現而不是微解碼，以便加快執(zhí)行速度;(4)多數指令具有固定格式，以簡化指令編碼和譯碼;(5)較小的指令集和少數幾種尋址模式;(6)數據通道流水線化，使處理過程高度并行;(7)采用大容量高速寄存器堆(或稱為寄存器文件)，盡量避免與速度較低的系統(tǒng)RAM交換數據。盡量將運算數據存放在寄存器中，從而減少訪問內存的次數。根據以上的討論，下文重點從體系架構的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對8位RISC微控制器在設計中的關鍵技術進行了探討研究。

4.關鍵技術

4.1 RISC指令集的選取

控制器系統(tǒng)的使用跟軟件編程與硬件設計之間的規(guī)格接口密切相關，這個接口就是微控制器的指令集。指令體系結構(ISA)是進行微處理器軟硬件協同設計的前提。指令集必須完備，使所有可計算的功能都在合理的程序空間內得以實現;而且指令集又必須是高效的，以便使常用的功能可以用相對少的指令實現。因此，提供給應用軟件開發(fā)的微控制器系統(tǒng)必須有一個完備而高效的指令集。

指令集直接決定微控制器的內部硬件結構，同時也是用戶程序編譯生成目標代碼的依據。指令集的最終確定與整個系統(tǒng)所需的程序存儲器、數據存儲器、寄存器變量及存儲器尋址方式密切相關且相互制約。各個部件乃至具體的字節(jié)都應該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對各個部件或字節(jié)進行辨認操作。因此也就有了相應的一系列針對不同產品的不同措施： 1)從所需要的地址長度和相應增加的寄存器來權衡指令的長度;2)對指令進行分類并分別確定各類的指令字節(jié)格式，以簡化操作控制信號的譯碼邏輯;3)增加相應的寄存器以彌補指令字節(jié)長度的不足;4)指令字節(jié)格式分配應考慮到相應部件的結構復雜度及對應的尋址方式;5)存儲器、寄存器、I/O口是否統(tǒng)一尋址。以上所列舉的并不詳盡也無先后順序之分，應該同時進行分析。相應的措施所對應的性能、功耗、設計復雜度各不一樣，應統(tǒng)一考慮。

對ISA進行功耗分析應該從指令代碼容量和指令執(zhí)行效率兩方面考慮。指令集大小、寄存器變量、存儲器尋址方式、流水線結構等技術的選定都和指令代碼密度有緊密聯系。研究發(fā)現，在RISC的精簡指令集中適當增加一些特定的復雜指令不失為提高代碼密度、保證處理器高性能、低功耗的可行方法。因此能夠產生高指令代碼密度的指令集無疑是RISC低功耗設計的首選。

4.2 具有共享區(qū)的寄存器堆的分頁設計

RISC設計思想的最主要特點是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器---寄存器操作的指令進行數據傳送，加快了速度，而且還簡化了指令控制邏輯，縮小了硬布線邏輯構成的控制部件的芯片面積。