八位微控制器IP核的设计与FPGA原型验证研究

发布时间：2020-05-09 09:13

【摘要】： IP复用技术是SOC设计的核心技术，使芯片设计变得快捷，设计风险也大为降低。八位微控制器IP核是SOC设计中应用最广泛的一类嵌入式核。本课题所设计的SDU_M08微控制器IP核采用哈佛结构，指令集与Microchip公司的PIC16C57完全兼容，可以广泛应用于工业控制、汽车、仪器仪表、家用电器等系统中。本文在对PIC16C57系统结构、指令集和系统时序进行仔细分析的基础上，进行了系统划分和各模块的RTL级代码设计。整个微控制器系统被划分成控制通路和数据通路两部分，每个子模块都进行了精心的设计，部分模块还进行了特别优化。设计中尝试使用DesignWare库中的IP模块对设计进行了优化，取得了显著的效果；数据通道模型的设计使数据通道的设计变得简单快捷，ALU采用了低功耗设计方法；设计数据存储器时考虑到布局布线时的总线扇出，采用了分级输出思想。在设计的验证方面，对FPGA原型技术进行了深入的研究，制定了详细的验证策略，搭建了FPGA验证硬件平台。探讨了Flash存储器的在线编程问题，利用FPGA实现了对Flash的在线编程；遵照FPGA原型实现流程对设计进行了仿真、综合和布局布线；对边界扫描测试技术进行了研究，开发了用于FPGA边界扫描测试的软件。在设计和验证的过程中，使用了一系列的EDA工具，，包括Altium公司的Protel DXP，Synopsys公司的VCS和Design Compiler，Mentor Graphics公司的Modelsim，Synplicity公司的Synplify Pro以及Altera公司的QuartusⅡ等。 SDU_M08采用精简指令集，易于学习和使用，可广泛应用于低功耗、高性价比的控制领域。本课题的研究为日后开发更复杂的微控制器积累了经验，奠定了坚实的知识基础。
【图文】：

波形图,波形图,程序存储器,上电复位

MCU的工作首先是从取指令开始的，其中第一条指令的地址是上电复位时的PC值 (7nH)，即PC的上电复位值所指向的指令是程序的开始。PC值和相应的ROM中指令的波形如图5一3所示。图中信号定义:reset:复位信号;dkl一dk4:四相不重叠时钟;pc:程序计数器;mem:程序存储器;romdata:PC对应的程序存储器中的指令;inst:存储在指令寄存器中的来自ROM的指令。图5一3取指波形图从仿真图中可以看出，复位的时候，Pc的值为7flH，微控制器正常工作以后执行的第一条指令是存在程序存储器7ff地址处的指令(GoTo指令)。每个dk4时，与pc对应的指令被取出，即预取指。仿真结果表明，所设计的Mcu能够从程序存储器中正确取指，并且取值操作均是在clk4时执行，符合设计规格。

波形图,指令执行,波形图,堆栈

山东大学硕士学位论文(2)程序计数器和堆栈从图5一3可以看出Pc可以正确地执行加l操作，下面主要验证在程序跳转指令执行时Pc和堆栈的状态。图5一4、图5一5、图5一6和图5一7为部分跳转指令执行时的仿真波形图。图中信号定义:StatuS:状态寄存器;staekl，stackZ:两级堆栈;skiP:双周期指令中的空操作标识信号，控制着空操作NOP指令的插入。图5一 4CALL指令执行波形图cALL指令:指令中的立即数直接改变Pc的低8位，Pc第9位清零，status寄存器的队1，队。(第6位和第5位)置入Pc的最高两位。地址 02IH中的指令为CALL指令(指令码为905)，所以022存入堆栈Stackl
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP332;TN791

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