增强型8位MCU IP软核的设计
发布时间：2020-08-26 14:41
【摘要】： 集成电路进入SoC(System on a Chip)设计阶段以后，基于IP(Intellectual Property，知识产权)核的SoC设计方法已经成为目前SoC设计方法中主流的设计方法之一。我国集成电路设计起步较晚，设计水平、设计能力与国外有一定差距，设计并开发具有自主知识产权的IP核，对我国的IC(Integrated Circuit)产业具有重要的意义。 作为一种嵌入式微控制器，MCU(Micro Controller Unit)在通信、消费电子、计算机、医疗、仪器仪表等领域得到了广泛的应用，渗透到人类生活和国民经济的各个方面。在这些嵌入式应用系统中，基于51指令系统的8位CISC(Complex Instruction Set Computer)MCU由于其低成本、高效能而始终占据着相当重要的位置。但是，随着其应用领域的扩展，对其性能的要求也越来越高。基于这点，本论文研究并设计了一款与标准8051兼容的8位CISC MCU IP核。 在系统架构层面，论文剖析了标准8051性能无法提高的瓶颈所在，并在新设计的MCU IP软核中进行了改进：将机器周期数从标准MCS-51中的12个调整到4个；对系统中不同功能模块采用独立总线方式访问；采用指令预取方式进行指令读取。从而在系统层面提高其整体的性能。 在算法级层面，针对MCU IP软核的关键模块进行了优化设计，在ALU(Algrithm Logic Unit)设计中，针对加减运算，使用了超前进位算法的扩展算法；针对乘除运算，采用了优化的移位相加算法；在控制器模块设计中，分析两种实现控制器模块的算法——硬布线法和微程序法的优缺点，提出了将两种算法结合的算法，以此提高控制器模块的性能。从而在实现层面提高其性能。 本论文所设计的MCU IP软核经过了完备的功能验证，通过了FPGA(Field Programmable Gate Array)硬件验证。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP332
【图文】：
单元库版图数据图2一 2MCUIP软核深亚微米优化设计流程布局布线时需要考虑以下方面:l)布局布线和逻辑综合之间的数据传送。逻辑综合工具将时序参数“前标”给布局布线工具，布局布线工具将时序参数“反标”会逻辑综合工具。2)时钟树的建模。由于深亚微米领域连线延时成为主要的延时因素，用传统方法来进行时钟建模已经非常困难。使用在布局布线中插入时钟数的方法来进行时钟建模〔川。 2.2.2MCUIP软核的验证工作验证在MCUIP软核的深亚微米优化设计中占了很大的比重，其中包括时序、功能和物理等验证。由于MCUIP软核属于中等规模的IP模块，因此仍进行动态功能验证和静态时序验证。RTL级仿真时需要考虑以下方面:l)选择合适的测试方案。2)制定测试规范，保证测试覆盖率。随着设计规模的不断增长，测试覆盖率逐渐成为验证成功与否的关键技术。「〕级仿真时需要考虑以下方面:l)考虑时序对设计的影响。与RTL级仿真时的设计信息相比，门级仿真的设计信息还包括时序信息。2)保证门级设计与RTL级设计的功能一致性。
3.2.1MCS一51系统体系架构标准的 Intel8051是一种哈佛结构(程序空间和数据空间分开)的Clsc微控制器。图3一1为标准Mcs一51的总体结构框图 [lSJ。PO.O阳 P0.7P2.卜P27肠脱撰Pl.O~P17刃.0~P3夕图3一1标准MCS一51的总体结构框图
两种比较传统的控制器的实现算法:硬布线算法和微程序算法。在硬布线算法中，控制器本质是一个组合逻辑。它的输入逻辑信号转换成一组输出逻辑信号，即控制信号[2’]。结构如图4一7所示。一一履如寒瓣 :::~~~一”昌澡裱气一 一 稼 稼病藕 --------------------，妓土匕 匕洲洲侣炸升 :::::颧万 万。。藉熹奚 奚奚 奚攀攀攀 控制信号图4一7硬布线逻辑控制器从硬布线控制器的结构可以看出这种控制器的实现方式的优点是针对特定指令的控制信号产生速度快。但是由于在设计时需要将指令集中所有指令对应的控制信号全部产生，所以它的缺点是显而易见的，实现硬布线所需的面积会很大。而且随着CPU指令集复杂度的增加，它实现的复杂程度也会随之增加，而且一旦控制器生成，对指令集的扩展需要重新生成新的控制器模块，即指令集的可扩展性不高。以微程序方式实现的思想来自于软件设计。它的基本思想是将操作控制信号编码成微指令，存放到一个只读存储器中，该只读存储器被称为控制存储器。当CPU运行时，一条条的读出这些微指令，从而产生指令执行所需要的各种控制操作信号，使相应的部件执行所规定的操作。结构如图4一8所示[2’]。
本文编号：2805307
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP332
【图文】：
单元库版图数据图2一 2MCUIP软核深亚微米优化设计流程布局布线时需要考虑以下方面:l)布局布线和逻辑综合之间的数据传送。逻辑综合工具将时序参数“前标”给布局布线工具，布局布线工具将时序参数“反标”会逻辑综合工具。2)时钟树的建模。由于深亚微米领域连线延时成为主要的延时因素，用传统方法来进行时钟建模已经非常困难。使用在布局布线中插入时钟数的方法来进行时钟建模〔川。 2.2.2MCUIP软核的验证工作验证在MCUIP软核的深亚微米优化设计中占了很大的比重，其中包括时序、功能和物理等验证。由于MCUIP软核属于中等规模的IP模块，因此仍进行动态功能验证和静态时序验证。RTL级仿真时需要考虑以下方面:l)选择合适的测试方案。2)制定测试规范，保证测试覆盖率。随着设计规模的不断增长，测试覆盖率逐渐成为验证成功与否的关键技术。「〕级仿真时需要考虑以下方面:l)考虑时序对设计的影响。与RTL级仿真时的设计信息相比，门级仿真的设计信息还包括时序信息。2)保证门级设计与RTL级设计的功能一致性。
3.2.1MCS一51系统体系架构标准的 Intel8051是一种哈佛结构(程序空间和数据空间分开)的Clsc微控制器。图3一1为标准Mcs一51的总体结构框图 [lSJ。PO.O阳 P0.7P2.卜P27肠脱撰Pl.O~P17刃.0~P3夕图3一1标准MCS一51的总体结构框图
两种比较传统的控制器的实现算法:硬布线算法和微程序算法。在硬布线算法中，控制器本质是一个组合逻辑。它的输入逻辑信号转换成一组输出逻辑信号，即控制信号[2’]。结构如图4一7所示。一一履如寒瓣 :::~~~一”昌澡裱气一 一 稼 稼病藕 --------------------，妓土匕 匕洲洲侣炸升 :::::颧万 万。。藉熹奚 奚奚 奚攀攀攀 控制信号图4一7硬布线逻辑控制器从硬布线控制器的结构可以看出这种控制器的实现方式的优点是针对特定指令的控制信号产生速度快。但是由于在设计时需要将指令集中所有指令对应的控制信号全部产生，所以它的缺点是显而易见的，实现硬布线所需的面积会很大。而且随着CPU指令集复杂度的增加，它实现的复杂程度也会随之增加，而且一旦控制器生成，对指令集的扩展需要重新生成新的控制器模块，即指令集的可扩展性不高。以微程序方式实现的思想来自于软件设计。它的基本思想是将操作控制信号编码成微指令，存放到一个只读存储器中，该只读存储器被称为控制存储器。当CPU运行时，一条条的读出这些微指令，从而产生指令执行所需要的各种控制操作信号，使相应的部件执行所规定的操作。结构如图4一8所示[2’]。
【引证文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 吕晓;基于FPGA的8位增强型CPU设计与验证[D];大连理工大学;2007年
本文编号：2805307
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/2805307.html
