兼容MCS-96系列指令记的CPU核的设计

发布时间：2020-05-31 10:59

【摘要】： 随着科学技术的发展,嵌入式单片机正在发挥着越来越重要的作用,对嵌入式单片机的设计也一直是电子工程师所关注的焦点。为了解决工业领域对单片机的需求,提高单片机各方面的性能,本文对一款能够兼容MCS-96系列单片机指令集的CPU核进行了分析和设计。 MCS-96系列单片机是Intel公司推出的CHMOS的单片机,它的指令集具有使用灵活、易于编程等优点。本文所设计的CPU核能够对其指令集中54条指令共计111个操作码实现兼容,并预留出了其余指令的扩展空间。 设计的CPU核分为数据通路和控制通路两部分,主要由寄存器堆、寄存器算术逻辑单元、控制单元和中断控制器四个单元组成,并且在指令的执行过程中采用了流水线技术。 寄存器堆主要是由Memory Compiler综合生成的SRAM阵列。 寄存器算术逻辑单元是主要的数据处理单元。在它的设计过程中采用了资源共享的策略,同时对运算单元的逻辑进行化简,并使用了超前进位链的扩展算法,从而减小了硬件电路的面积。 控制单元控制着CPU核各部分的工作节拍。因为指令长度和执行时间不同,引入了指令长度计数器和指令步长计数器,对指令的执行过程进行控制。中断控制器可以将中断源分为16个中断处理优先级别,产生中断处理申请信号和相应的中断向量,实现中断屏蔽等。 设计完成后进行了充分的仿真验证,结果表明设计可以正确地执行要求的指令。在工作频率为40MHz的条件下综合,没有出现时序冲突。综合后仿真结果正确。
【图文】：

哈尔滨工业大学硕士学位论文性能上也有了明显提高，从而适用于更加复杂的实时控制场合。MCS-96 单片机有多种型号，不同型号配置有不同的功能部件，且具有不同存储空间和寻址能力，可满足不同场合的要求[24]。MCS-96 系列的成员都是带有 16 位CPU的高性能芯片，并且带有至少 230字节的片上RAM[25]。它们都有一个基于寄存器到寄存器结构的内核，因此不需要额外的累加器，而且大部分操作可以在寄存器间完成。这种结构消除了累加器的瓶颈现象，加快了数据传输。同时，寄存器操作可以控制众多的片上外设，包括I/O口、10 位A/D转换器、PWM(脉宽调制器)、SIO(全双工串行I/O口)等，在调制解调器、发动机控制、打印机、影印机、空调以及医疗设备等众多方面，MCS-96 系列单片机都得到了非常广泛的应用[26]。所有的MCS-96 成员都具有相同的指令集和结构，而CHMOS产品在更低功耗的条件下可以提供更高的性能。同时，为了进一步降低功耗，它们还可以被设置为休眠模式和关机模式[27]。典型的 MCS-96 单片机的结构如图 1-2 所示。

哈尔滨工业大学硕士学位论文2.4.2 CPU 核的结构考虑到要设计的是一个 CPU 的内核而不是整个单片机系统，所以在结构上有所取舍。这里的 CPU 核在整体上对 MCS-96 单片机系统进行了裁剪，在具体结构上有所变通、整合。将 CPU 核主要分为 4 个模块，分别是寄存器堆，寄存器算术逻辑单元(RALU)，控制单元(CU)和中断控制器。它们之间的连接关系如图 2-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP332

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本文编号：2689753