基于MCU IP核ALU單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道模型的設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證

隨著IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，IP核的需求越來(lái)越高。微控制器MCU（Micro Control Unit）是嵌入式系統(tǒng)的核心，8位MCU IP核具有很高的通用性和靈活性，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)械設(shè)備、家用電器以及汽車等各個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的MCU IP核與Microchip公司的PIC16C57完全兼容。MCU IP核采用哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)部單元可簡(jiǎn)化為時(shí)序控制和數(shù)據(jù)通道兩部分。時(shí)序控制部分為數(shù)據(jù)通道提供控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)流動(dòng)方向以及數(shù)據(jù)通路的選擇，它是IP核的指揮中心；數(shù)據(jù)通道部分在控制部分的控制下，具體實(shí)現(xiàn)MCU IP核的指令功能，它是影響MCU性能、功耗等因素的關(guān)鍵，是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

本文在設(shè)計(jì)該款MCU IP核的數(shù)據(jù)通道部分過(guò)程中，提出了一種特定的數(shù)據(jù)通道模型；最后，通過(guò)對(duì)整個(gè)MCU IP核仿真綜合，對(duì)該數(shù)據(jù)通道模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 、數(shù)據(jù)通道模型及數(shù)據(jù)總線Verilog HDL模型

1.1數(shù)據(jù)通道模型結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的MCU數(shù)據(jù)通道模型包含各數(shù)據(jù)通道單元及單條雙向數(shù)據(jù)總線。其中數(shù)據(jù)通道單元主要由特殊功能寄存器、通用寄存器及運(yùn)算單元ALU等電路組成，每個(gè)通道單元還可再分為多個(gè)子通道單元。數(shù)據(jù)通道頂層模型如圖1所示，數(shù)據(jù)主要在數(shù)據(jù)總線及各數(shù)據(jù)通道單元中流動(dòng)，由一條雙向數(shù)據(jù)總線完成每個(gè)數(shù)據(jù)組元的讀寫操作，充當(dāng)每個(gè)組元源總線及目的總線雙重功能，并由特定電路完成總線數(shù)據(jù)的讀寫操作。該數(shù)據(jù)通道模型的最大特點(diǎn)為：通過(guò)n個(gè)子通道選擇信號(hào)，各數(shù)據(jù)通道單元內(nèi)部可再分為n個(gè)子數(shù)據(jù)通道，由1/n譯碼器實(shí)現(xiàn)每一個(gè)時(shí)刻只有一條子通道選通。上層的數(shù)據(jù)通道控制信號(hào)仍然有效，作為子層數(shù)據(jù)通道的公共開關(guān)。依次類推，該數(shù)據(jù)通道模型可以是多層的。數(shù)據(jù)通道層次模型如圖2所示。

數(shù)據(jù)通道模型內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)在時(shí)間軸上是時(shí)刻向前的，而數(shù)據(jù)流動(dòng)的軌跡則呈現(xiàn)為相互環(huán)繞的螺旋形。

1.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的Verilog HDL模型

數(shù)據(jù)通道模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)總線分別由三態(tài)門和多路選擇器實(shí)現(xiàn)讀寫操作，使用特定的硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL代碼模型進(jìn)行描述。對(duì)于掛接n個(gè)數(shù)據(jù)通道單元的m位數(shù)據(jù)通道內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，讀、寫兩種操作的Verilog HDL代碼模型分別表示如下［3］：

2、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文以數(shù)據(jù)通道單元ALU為例介紹數(shù)據(jù)通道模型的層次結(jié)構(gòu)。ALU是MCU IP核的運(yùn)算單元，是數(shù)據(jù)的加工處理部件，是數(shù)據(jù)通道中最特殊的數(shù)據(jù)通道單元。它實(shí)現(xiàn)加、減、與、或、異或、非、左移、右移、半字節(jié)交換等九種運(yùn)算，其中前五種是雙操作數(shù)操作，其余四種是單操作數(shù)操作。對(duì)于雙操作數(shù)操作，ALU數(shù)據(jù)通道單元一邊采用兩條兩個(gè)源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道，另一邊采用一條目標(biāo)操作數(shù)數(shù)據(jù)通道；而單操作數(shù)操作僅需開啟一條源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道。

本文的ALU采用低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)控制部分譯碼得出ALU主要實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)算：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算以及半字節(jié)交換運(yùn)算。本文通過(guò)加、減操作復(fù)用一個(gè)8位超前進(jìn)位加法器，將ALU模塊分為8個(gè)運(yùn)算單元，構(gòu)成8個(gè)子數(shù)據(jù)通道。通過(guò)對(duì)ALU子數(shù)據(jù)通道選通信號(hào)aluop［2：0］進(jìn)行譯碼對(duì)8條子通道進(jìn)行選通，如表1所示。在系統(tǒng)復(fù)位或者不工作時(shí)，各運(yùn)算單元處于休眠狀態(tài)；在每條指令的執(zhí)行周期，ALU中8個(gè)子數(shù)據(jù)通道始終只有一條子數(shù)據(jù)通道處于選通工作狀態(tài)。不同類的指令對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)通道，把對(duì)ALU運(yùn)算的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)ALU內(nèi)子數(shù)據(jù)通道的選擇，降低了ALU整體功耗。

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)通道的選通由選通信號(hào)控制，而數(shù)據(jù)通道的開啟必須由整個(gè)MCU IP核控制部分產(chǎn)生的四相不重疊時(shí)鐘節(jié)拍控制，分別為clk1、clk2、clk3、clk4。時(shí)鐘節(jié)拍不參與數(shù)據(jù)通道的選擇，所起作用只是數(shù)據(jù)通道的開啟。數(shù)據(jù)通道內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)是有方向的，本文中數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向性體現(xiàn)為不同時(shí)鐘節(jié)拍控制的不同數(shù)據(jù)通道的開啟。以單操作數(shù)指令半字節(jié)交換指令（SWAP）為例說(shuō)明，半字節(jié)交換指令只需開啟一條源操作數(shù)通道。如圖3所示，控制部分在clk1時(shí)取出指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)通道操作；在clk2時(shí)，在存儲(chǔ)單元中選擇源操作數(shù)寫入數(shù)據(jù)總線，開啟ALU運(yùn)算單元的源操作數(shù)alu_xbus_a［7:0］數(shù)據(jù)通道，此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU源總線；在clk3時(shí)，根據(jù)ALU模塊子通道選通信號(hào)aluop［3:0］選擇ALU功能模塊SWAP，開啟源操作數(shù)進(jìn)入ALU進(jìn)行半字節(jié)交換運(yùn)算的數(shù)據(jù)通道；在clk4時(shí)，將ALU運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果aluout［7:0］通過(guò)數(shù)據(jù)總線寫入到各目的數(shù)據(jù)通道單元中，即開啟目的操作數(shù)數(shù)據(jù)通道，此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU目的總線。

需要說(shuō)明的是，圖3中數(shù)據(jù)databus［7:0］來(lái)自數(shù)據(jù)總線，由數(shù)據(jù)通道單元特殊功能寄存器和通用寄存器提供數(shù)據(jù)。其中特殊功能寄存器包括F0間址寄存器、F1實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)寄存器RTCC、F2程序計(jì)數(shù)器PC，F(xiàn)3狀態(tài)計(jì)數(shù)器STATUS、F4寄存器選擇寄存器FSR以及F5、F6、F7 I/O寄存器?？梢韵蛳略俜譃?條子數(shù)據(jù)通道，子通道選通信號(hào)為fsel［2:0］，而上層數(shù)據(jù)通道開關(guān)控制信號(hào)為rf_spr_re、rf_spr_we，即特殊功能寄存器讀寫控制信號(hào)。其具體實(shí)現(xiàn)與ALU數(shù)據(jù)通道單元類似，這里不再贅述。

在該款MCU IP核數(shù)據(jù)通道模型中，數(shù)據(jù)總線全部采用本文所述的Verilog HDL代碼模型描述。基于中心國(guó)際SMIC 0.35μm工藝庫(kù)（工作電壓為3伏），使用Synopsys公司VCS和 DC對(duì)該款MCU IP核進(jìn)行了仿真綜合，并進(jìn)行了功耗分析。綜合分析結(jié)果得出，該數(shù)據(jù)通道電路結(jié)構(gòu)規(guī)整，設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化，總體功耗約為49.5980mW，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。

本文使用固定電路結(jié)構(gòu)描述內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，通過(guò)特定層次化數(shù)據(jù)通道模型的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了自頂向下（Top-Down）的設(shè)計(jì)方法，降低了整個(gè)MCU IP 核設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，縮短了設(shè)計(jì)周期。該設(shè)計(jì)適用于大規(guī)模系統(tǒng)芯片開發(fā)設(shè)計(jì)。

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