基于FPGA的8位RISC MCU研究与设计

发布时间：2020-06-10 13:18

【摘要】： 微控制器(MCU)是许多数字系统的核心部件，其控制复杂，对鲁棒性、面积、功耗、运算速度、功能等方面都有很高的要求，设计拥有自主知识产权的高性能MCU一直是集成电路设计领域一个富有挑战性的课题。本文的研究正是对此做一次有益的尝试和实践。在深入细致地研究了Atmel公司的AT90S1200系列微控制器的指令系统和系统结构，深入理解了微控制器的工作作原理和设计方法的基础上，确定微控制器的总体结构，以及各层次模块的功能和结构。讨论了RISC和CISC各自的特点及的设计差别；讨论了指令集的制定，指令流水线的概念及设计方法，以及由于引入流水线而引起的数据冲突和解决办法；MCU整体架构的分析，用FPGA进行时序电路的设计方法等技术。本文做的工作包括：采用硬件描述语言VHDL语言设计了微处理器数据通路，控制单元的设计，并对该微处理器进行了软件功能测试和正确性验证。数据通路的设计包括：PC模块、IR模块、通用寄存器模块、状态寄存器模块、ALU模块、取指单元模块、定时器／计数器模块、I／O单元模块及外部中断模块等电路模块的设计与实现；同时还研究了控制单元的实现方法和有限状态机设计的方法。验证部分是将MCU作为一个整体处理单元在处理混合指令和一定的应用功能时所表现出来的综合性能做的软件仿真测试。这种测试没有对所有的指令进行全面的测试，但对三个I／O的测试采用不同的测试方法达到相同的效果，测试了用不同的指令来实现相同功能的MCU的指令的灵活性。因此这些指令组合成一起的程序段对MCU的测试是比较有效的测试指令及MCU综合功能的测试方法。最终的仿真验证结果表明，所设计的MCU完全兼容AT90S1200的指令集。汇编源程序的编译环境不需要另外开发而可直接使用AVR Studio进行编译。仿真的结果表明MCU能按照预想的指令执行预定的动作，时序和流水线操作都正确，表明所设计的MCU基本符合要求。
【图文】：

结构图,结构图,程序指令,哈佛结构

和数据有不同的数据宽度，如MicrochiP公司的PIC16芯片的程序指令是12位宽度，而数据是8位宽度，，Aimel公司的AVR单片机AT90S系列程序指令是16位宽，数据是8位宽。哈佛结构的微处理器(见图2一2示意)通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储，执行时可以预先读取下一条指令，取指和执行能完全重叠运行。指指令储了子器器器器器器器器器扮扮扮扮于七咋器器奢奢奢奢奢奢奢奢奢交旗乌〔l一鑫存器器运运玄7器器器器图2一2哈佛结构图这种结构的优点是:(l)允许数据从程序存储器传递到SRAM，该功能也允许从程序存储器中读取数据表。这对现代微控制器应用十分重要，因为为了使掉电后数据表不丢

结构图,哈佛结构

CCCCPUUUUUUUUUUUUU指令、数招储存器器jjjjj三芬器器器 K:.11111图2一1冯·诺依曼结构图这种结构有两个明显的缺点: (1)CPU中控制器和运算器的速度必须与存储器的速度相匹配;(2)指令和数据的流动都通过同一条总线，使指令和数据的独立性大大削马马。目前，RISC架构的微处理器都采用哈佛结构，这种结构具有分离地址总线的两个存储器。CPU首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线:程序总线和数据总线
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP332

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