8位微控制器體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

　　摘  要: 本文分析了目前8位微控制器的更新和設(shè)計(jì)趨勢(shì)，主要討論其RISC體系架構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對(duì)在設(shè)計(jì)中采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。 

　　關(guān)鍵詞： RISC；微控制器；低功耗；流水線 

　　1．引言

　　微控制器(Microcontroller)自上世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，在將近30年的時(shí)間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價(jià)格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家用電器、計(jì)算和外設(shè)、通訊、工業(yè)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化設(shè)備以及儀器儀表等領(lǐng)域，成為科研、教學(xué)、工業(yè)技術(shù)改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單微控制器到現(xiàn)在普遍采用哈佛總線結(jié)構(gòu)的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展[1]。

　　8位微控制器目前應(yīng)用數(shù)量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場(chǎng)；其市場(chǎng)及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)都極為激烈，各種多功能需求以及不同規(guī)格的產(chǎn)品推陳出新的速度也極為快速。隨著集成電路和半導(dǎo)體工藝技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA和SOC技術(shù)的不斷競(jìng)爭(zhēng)和融合，電
子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(chǎng)需求的高性價(jià)比、低功耗、高經(jīng)濟(jì)效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現(xiàn)今不少公司競(jìng)爭(zhēng)相逐的熱點(diǎn)。

　　2．目前8位微控制器的更新和設(shè)計(jì)趨勢(shì)

　　對(duì)于不同的微控制器（MCU）產(chǎn)品應(yīng)用,不僅需要考慮不同廠家MCU的性價(jià)比,而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應(yīng)用特點(diǎn)。針對(duì)不斷涌現(xiàn)出來的新的智能化電子產(chǎn)品,們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的MCU新產(chǎn)品[2]。不同廠家的MCU產(chǎn)品其指令集各不相同,特別是指令集系統(tǒng)架構(gòu)的不同,如市場(chǎng)上廣泛應(yīng)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(shù)指令需要多個(gè)時(shí)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(diǎn)。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(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的指令集可以用硬布線進(jìn)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(jié)構(gòu)將指令分成幾步完成，在流水線填滿工作時(shí)，每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間（CPI）在1個(gè)時(shí)鐘周期左右[3]。一般來說，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同時(shí)更容易設(shè)計(jì)和糾錯(cuò)。

　　因此，目前對(duì)8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和研究設(shè)計(jì)主要是以兼容市場(chǎng)上已被客戶廣泛采用的產(chǎn)品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展。對(duì)于原先為CISC指令系統(tǒng)的微控制器產(chǎn)品，在層出不窮的更新系列中已經(jīng)漸漸的融合進(jìn)了RISC思想；對(duì)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(duì)高性能低功耗的需求對(duì)其整個(gè)體系架構(gòu)不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)最為多見。本文正是在種形勢(shì)下提出的，主要討論RISC體系架構(gòu)的8位微控制器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　3．RISC微處理器的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)原則

　　雖然現(xiàn)在業(yè)界對(duì)RISC 處理器應(yīng)該具有什么特征還有不同的看法，但是各種RISC結(jié)構(gòu)都有一些共性[4]：(1)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成以便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)流水化；(2)采用獨(dú)立且簡(jiǎn)單的裝載/存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；(3)指令解碼通常都是硬連線實(shí)現(xiàn)而不是微解碼，以便加快執(zhí)行速度；(4)多數(shù)指令具有固定格式，以簡(jiǎn)化指令編碼和譯碼；(5)較小的指令集和少數(shù)幾種尋址模式；(6)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。盡量將運(yùn)算數(shù)據(jù)存放在寄存器中，從而減少訪問內(nèi)存的次數(shù)。根據(jù)以上的討論，下文重點(diǎn)從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對(duì)8位RISC微控制器在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。

　　4．關(guān)鍵技術(shù)

　　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(shè)計(jì)之間的規(guī)格接口密切相關(guān)，這個(gè)接口就是微控制器的指令集。指令體系結(jié)構(gòu)（ISA）是進(jìn)行微處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的前提。指令集必須完備，使所有可計(jì)算的功能都在合理的程序空間內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)；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(duì)少的指令實(shí)現(xiàn)。因此，提供給應(yīng)用軟件開發(fā)的微控制器系統(tǒng)必須有一個(gè)完備而高效的指令集。

　　指令集直接決定微控制器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是用戶程序編譯生成目標(biāo)代碼的依據(jù)。指令集的最終確定與整個(gè)系統(tǒng)所需的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器變量及存儲(chǔ)器尋址方式密切相關(guān)且相互制約。各個(gè)部件乃至具體的字節(jié)都應(yīng)該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對(duì)各個(gè)部件或字節(jié)進(jìn)行辨認(rèn)操作。因此也就有了相應(yīng)的一系列針對(duì)不同產(chǎn)品的不同措施： 1）從所需要的地址度和相應(yīng)增加的寄存器來權(quán)衡指令的長(zhǎng)度；2）對(duì)指令進(jìn)行分類并分別確定各類的指令字節(jié)格式，以簡(jiǎn)化操作控制信號(hào)的譯碼邏輯；3）增加相應(yīng)的寄存器以彌補(bǔ)指令字節(jié)長(zhǎng)度的不足；4）指令字節(jié)格式分配應(yīng)考慮到相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及對(duì)應(yīng)的尋址方式；5）存儲(chǔ)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(yīng)該同時(shí)進(jìn)行分析。相應(yīng)的措施所對(duì)應(yīng)的性能、功耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度各不一樣，應(yīng)統(tǒng)一考慮。