如何設(shè)計(jì)一個(gè)16位的嵌入式微控制器？

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全和信息家電產(chǎn)品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產(chǎn)品中必不可少的部件。目前國(guó)內(nèi)一些科研院校和半導(dǎo)體公司都在致力于研發(fā)自主設(shè)計(jì)的嵌入式，這對(duì)我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

這里描述了一款自主研發(fā)的16位嵌入式微控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于RTL級(jí)設(shè)計(jì)方法使用VerilogHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，在設(shè)計(jì)中，采用硬布線(xiàn)控制方式，減少了面積和功耗，同時(shí)MCU兼容了MSC-96指令集，目標(biāo)是可以應(yīng)用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目中。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 MSC-96體系結(jié)構(gòu)

圖1所示為MSC-96體系結(jié)構(gòu)。Intel 8096微控制器是由通用寄存器陣列、算術(shù)邏輯單元（RALU）和微程序控制器等模塊組成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一個(gè)片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器，因而會(huì)造成面積和功耗都會(huì)較大。

MCU內(nèi)部的寄存器陣列通過(guò)一個(gè)控制器和2條總線(xiàn)與RALU相連。這兩條總線(xiàn)是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU與寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸，而A-BUS用作上述傳輸過(guò)程中的地址總線(xiàn)。當(dāng)MCU通過(guò)寄存器控制器訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)外寄存器時(shí)，A-BUS可作為多路轉(zhuǎn)換的地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

1.2 A8096總體結(jié)構(gòu)

為了減少面積和功耗，A8096采用硬布線(xiàn)邏輯控制方式取代上述的微程序控制器。依據(jù)MSC-96的體系結(jié)構(gòu)，A8096主要功能模塊包括：IPU（InSTructiON Pre-fetch Unit。指令預(yù)取單元）、CU（Control Unit，控制單元）、ALU（ArithmetIC Logical Unit，算術(shù)邏輯單元）、MEM_C-TRL（MEM控制器）、RF_CTRL（寄存器堆控制器）、ISR（Interrupt Service Routine unit，中斷服務(wù)單元）、GPIO（General Purpose Input Out-put，通用輸入輸出單元）等主要功能部件。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)總線(xiàn)

A8096采用3條總線(xiàn)：一條是MEM總線(xiàn)，用于IPU和MEM CTRL對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間的讀寫(xiě)控制;16 bit的數(shù)據(jù)線(xiàn)，16 bit的地址線(xiàn)，讀寫(xiě)信號(hào)memrd/memwr;一條是內(nèi)部寄存器陣列（Register File）總線(xiàn)，用于RF_CTRL對(duì)內(nèi)部寄存器陣列的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，地址線(xiàn)是8 bit的，數(shù)據(jù)線(xiàn)為16 bit，讀寫(xiě)信號(hào)為rf_rd/rf_wr;一條是SFR總線(xiàn)，用于訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)空間地址在00H～19H的特殊定義的寄存器空間。8 bit的地址總線(xiàn)，16bit的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，讀寫(xiě)信號(hào)sfrrd/sfrwr。另外IPU和MEMCTR的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)8 bit的數(shù)據(jù)線(xiàn)instr_bus完成的，其作用是從預(yù)取指令隊(duì)列中將指令傳給CU單元等。

2 MCU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 MCU工作原理

A8096通過(guò)IPU（指令預(yù)取單元）指令預(yù)取，并存放在預(yù)取指令隊(duì)列中，CU（控制單元）從IPU指令隊(duì)列中取指并進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生控制時(shí)序等信號(hào)。ALU單元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有譯碼模塊，依據(jù)當(dāng)前指令和當(dāng)前指令周期主動(dòng)工作。如：RAM控制器在加法指令的相應(yīng)周期取操作數(shù)送往ALU單元，ALU在相應(yīng)周期接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行運(yùn)算并將結(jié)果輸出。

2.2 MCU啟動(dòng)過(guò)程

在上電復(fù)位時(shí)，MCU處于復(fù)位態(tài)（rst信號(hào)有效）。復(fù)位時(shí)，IPU單元中的指令隊(duì)列清空（empty信號(hào)有效），總線(xiàn)處于空閑態(tài)，IPU立刻進(jìn)行指令預(yù)取動(dòng)作，程序空間的首地址（2080H）指令即被取人指令隊(duì)列，隨后隊(duì)列空信號(hào)（empty）無(wú)效，同時(shí)指令被發(fā)送出去（instr_bus）。在復(fù)位同時(shí)，控制單元（CU）的取指信號(hào)（codefetche）即一直有效，在指令隊(duì)列空信號(hào)empty無(wú)效后（在empty無(wú)效之前CU一直等待），指令即通過(guò)instr_ bus進(jìn)入了CU，指令操作碼被存入了指令寄存器，如圖3中instr寄存器更新為加法指令的操作碼74。至此，MCU完成了復(fù)位、自動(dòng)取指操作，并開(kāi)始往下執(zhí)行該指令，IPU單元也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行指令預(yù)取操作。

2.3 指令執(zhí)行過(guò)程

在A(yíng)8096中，有兩級(jí)指令預(yù)取概念：一級(jí)是指令預(yù)單元IPU利用總線(xiàn)空閑從程序空間不斷預(yù)取指令存入指令隊(duì)列中;一級(jí)則是指令執(zhí)行過(guò)程中的指令預(yù)取，當(dāng)一條指令執(zhí)行到最后一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，CU單元就會(huì)發(fā)送取指信號(hào)，進(jìn)行指令執(zhí)行級(jí)的預(yù)取指動(dòng)作，下一條指令的操作碼即被預(yù)取出來(lái)（指令隊(duì)列為空時(shí)需等待），并立刻進(jìn)行譯碼確定指令的字節(jié)長(zhǎng)度和指令執(zhí)行周期數(shù)。

如圖4所示，在加法指令的最后一個(gè)周期（cycle=05），CU單元取指信號(hào)codefetche有效，則下一條指令的操作碼（6C，乘法操作碼）被預(yù)取出來(lái)，同時(shí)進(jìn)行查表譯碼確定其指令字節(jié)長(zhǎng)度和指令周期數(shù)，隨后操作碼被存入指令寄存器instr中（此時(shí)，指令周期計(jì)數(shù)器cycle又從01開(kāi)始計(jì)數(shù)）。后面乘法指令的操作數(shù)也會(huì)不斷被取進(jìn)來(lái)執(zhí)行，直到乘法指令最后一個(gè)周期時(shí)，又將下一條指令的操作碼預(yù)取進(jìn)來(lái)。

需要說(shuō)明：codefetche為取操作碼信號(hào)，datafetche為取操作數(shù)信號(hào)。在指令最后一個(gè)周期時(shí)若有中斷請(qǐng)求，則插入LCALL指令進(jìn)行中斷處理，讀取下一條指令。其流程如圖5所示。

2.4 指令譯碼過(guò)程

在MCU設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先完成對(duì)各條指令的指令分析工作，確定每個(gè)周期該做的動(dòng)作，然后各部件依據(jù)指令分析表進(jìn)行相關(guān)的指令譯碼（RAM控制器只譯RAM要做的動(dòng)作，ALU只譯ALU要做的動(dòng)作）。過(guò)程描述如下：在預(yù)取操作碼時(shí)，CU單元對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼確定指令的字節(jié)長(zhǎng)度（nr_bytes）和指令周期數(shù)（nr_cycles）。然后CU依據(jù)指令字節(jié)長(zhǎng)度（nr_bytes）取操作數(shù)，其他部件依據(jù)指令和當(dāng)前指令周期（curcycle）執(zhí)行相應(yīng)的指令操作。表1為加法指令分析表，下面以加法指令的譯碼過(guò)程來(lái)說(shuō)明整個(gè)譯碼流程：

1）加法指令 ADD OPl OP2（將OPl+0P2結(jié)果寫(xiě)入OPl中）;其目標(biāo)碼格式為：ADD OP2 OPl，其中OPl和OP2均為操作數(shù)地址。

2）0周期 實(shí)際指上一條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期，此周期codefetche取指信號(hào)有效，IPU單元將指令送入CU單元確定了指令周期和指令長(zhǎng)度。

3）l周期 取操作數(shù)信號(hào)datafetche有效，op2（地址）進(jìn)來(lái)，被送入RAM地址線(xiàn)，發(fā)讀信號(hào)（從RAM寄存器陣列取操作數(shù)2）。

4）2周期 操作數(shù)2被取入，并存入ALU中的a寄存器;此周期取操作數(shù)信號(hào)datafetche有效，opl（地址）進(jìn)來(lái)，被送入RAM地址線(xiàn)，發(fā)讀信號(hào)。

5）3周期 操作數(shù)l被取入，并存入ALU中的b寄存器;加法器立刻進(jìn)行a+b運(yùn)算。

*周期 將加法結(jié)果放到RAM數(shù)據(jù)線(xiàn)上，地址線(xiàn)=opl，發(fā)寫(xiě)信號(hào)。將加法結(jié)果寫(xiě)回到opl中，并依據(jù)結(jié)果對(duì)PSW進(jìn)行處理。

7）5周期 無(wú)動(dòng)作，用于寫(xiě)回操作的過(guò)程。

3 驗(yàn)證結(jié)果

3.1 仿真驗(yàn)證

芯片的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只是設(shè)計(jì)流程的一部分，為保證最終設(shè)計(jì)成功，必須對(duì)其全面仿真與功能驗(yàn)證。對(duì)MCU的測(cè)試方法如下：1）功能模塊的單元測(cè)試，驗(yàn)證模塊的功能正確性，包括接口時(shí)序等。2）系統(tǒng)集成測(cè)試，首先編寫(xiě)簡(jiǎn)單的機(jī)器碼測(cè)試向量進(jìn)行初步調(diào)試：然后使用編譯器寫(xiě)匯編程序，編譯成二進(jìn)制機(jī)器碼進(jìn)行程序功能測(cè)試。在集成測(cè)試中，編寫(xiě)匯編測(cè)試程序，用編譯器編譯成機(jī)器碼，在Cadenee NC下運(yùn)行這些測(cè)試程序進(jìn)行仿真測(cè)試。對(duì)每條指令均測(cè)試了其各種尋址方式，且測(cè)試程序自動(dòng)向DEBUG寄存器寫(xiě)測(cè)試結(jié)果，以方便調(diào)試。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的測(cè)試和不斷修正，驗(yàn)證結(jié)果顯示MCU指令執(zhí)行的正確性。

3.2 FPGA驗(yàn)證

使用的FPGA器件是StratixⅡ型號(hào)為EP1S40F780C7。綜合結(jié)果顯示：A8096使用3 565個(gè)LE（LogIC Element）。時(shí)序分析結(jié)果：A8096可以運(yùn)行在49.93 MHz的時(shí)鐘頻率下。A8096占用FPGA資源分布情況如圖6所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)中，采用RISC技術(shù)中的硬布線(xiàn)控制邏輯，有利于減少M(fèi)CU面積、降低功耗以及提高M(jìn)CU執(zhí)行效率，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)表明其只占用了3 565個(gè)LE單元，工作時(shí)鐘可達(dá)50 MHz。同時(shí)該MCU具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與實(shí)用性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可方便與定時(shí)器、串行通訊接口（I2C）、串行外圍接口（SPI）、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器等外圍功能單元組成各種嵌入式系統(tǒng)，完全具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。