基于流水线架构8051微控制器内核的实现
发布时间：2023-04-11 02:41
在嵌入式系统低端的微控制器领域,从8位微控制器诞生至今的近30年里,8051系列一直扮演着一个独特的角色。由于MCS-51提供的最佳兼容性,使MCS-51在被改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续,并在未来片上系统(SOC)发展中,担任8位微控制器内核的重任[1]。 本课题的研究就是在此产业背景下,为满足当前工程应用需要,通过对内核的重新定义,改造和设计,设法提升8051内核的指令执行效率。相关资料表明,在过去十年间改造8051内核指令执行效率的办法大致有以下两种: 1)维持最初内核结构定义,将机器周期从12个缩短到6个或4个。但这种改造方式指令执行效率提升有限; 2)通过改变编译器,将指令代码设计为RISC。指令执行周期完全是一个周期。但这样实现方式,在实际应用受到一定的限制。除此以外设计复杂度相对较高,成本也比较高。 而本课题侧重点在提升8051指令执行效率上采取了新的途径,采用不同于以上的第三种方式,即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下,对指令运行实行流水作业,多指令按照节拍并行执行,以提高在程序执行时的指令执行效率。在本文阐述了针对...
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 8051 微控制器的发明和发展
1.1.1 8051 微控制器的发明和早期架构
1.1.2 8051 微控制器的指令执行效率的改进
1.2 提升指令执行效率的现实意义
1.2.1 降低功耗提升用电效率
1.2.2 拓展应用领域
1.3 处理器内核的结构
1.3.1 复杂指令集和精简指令
1.3.2 微控制器内核设计
1.4 本文的组织结构
第二章 指令分析
2.1 8051 的指令格式
2.2 8051 的指令功能
2.2.1 算术运算指令（共24 种）
2.2.2 逻辑操作指令（共25 种）
2.2.3 数据传送指令（共28 种）
2.2.4 控制转移指令（共17 种）
2.2.5 位操作类指令（共17 种）
2.3 8051 指令寻址方式
2.3.1 立即寻址
2.3.2 直接寻址
2.3.3 寄存器寻址
2.3.4 寄存器间接寻址
2.3.5 变址寻址
2.3.6 相对寻址
2.3.7 位寻址
2.4 8051 指令编译数据
2.4.1 单字节指令
2.4.2 双字节指令
2.4.3 三字节指令
第三章 系统规划和流水结构的实现
3.1 特性定义和功能描述
3.1.1 特性定义
3.1.2 模块框图
3.2 内部功能设计说明
3.2.1 存储器控制设计说明
3.2.2 特殊功能寄存器设计说明
3.2.3 中断设计说明
3.2.4 复位设计说明
3.2.5 时钟设计说明
3.3 流水架构设计说明
3.3.1 多级级指令流水线的划分
3.3.2 流水架构核心设计原理
3.3.3 典型流水指令的实现和各模块的设计划分
第四章 系统各模块的功能和实现
4.1 控制模块和指令解码模块
4.1.1 模块功能说明
4.1.2 模块实现说明
4.1.3 模块接口说明
4.2 程序地址指针模块
4.2.1 模块功能说明
4.2.2 模块实现说明
4.2.3 模块接口说明
4.3 算术逻辑单元模块
4.3.1 模块功能说明
4.3.2 模块实现说明
4.3.3 模块接口说明
4.4 特殊功能寄存器模块
4.4.1 模块功能说明
4.4.2 模块实现说明
4.4.3 模块接口说明
4.5 中断控制模块
4.5.1 模块功能说明
4.5.2 模块实现说明
4.5.3 模块接口说明
第五章 系统验证和性能评价
5.1 VERILOG HDL 实现
5.1.1 基本介绍
5.1.2 课题设计方法
5.2 MODELSIM 验证
5.3 典型指令实际执行模拟
5.3.1 算术指令
5.3.2 布尔运算指令
5.3.3 数据转移指令
5.3.4 程序跳跃指令
5.3.5 逻辑指令
5.4 性能说明
5.4.1 流水的性能
5.4.2 内核的性能
第六章 总结与展望
6.1 研究工作总结
6.2 研究展望
参考文献
附录1
附录2
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
本文编号：3789175
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 8051 微控制器的发明和发展
1.1.1 8051 微控制器的发明和早期架构
1.1.2 8051 微控制器的指令执行效率的改进
1.2 提升指令执行效率的现实意义
1.2.1 降低功耗提升用电效率
1.2.2 拓展应用领域
1.3 处理器内核的结构
1.3.1 复杂指令集和精简指令
1.3.2 微控制器内核设计
1.4 本文的组织结构
第二章 指令分析
2.1 8051 的指令格式
2.2 8051 的指令功能
2.2.1 算术运算指令（共24 种）
2.2.2 逻辑操作指令（共25 种）
2.2.3 数据传送指令（共28 种）
2.2.4 控制转移指令（共17 种）
2.2.5 位操作类指令（共17 种）
2.3 8051 指令寻址方式
2.3.1 立即寻址
2.3.2 直接寻址
2.3.3 寄存器寻址
2.3.4 寄存器间接寻址
2.3.5 变址寻址
2.3.6 相对寻址
2.3.7 位寻址
2.4 8051 指令编译数据
2.4.1 单字节指令
2.4.2 双字节指令
2.4.3 三字节指令
第三章 系统规划和流水结构的实现
3.1 特性定义和功能描述
3.1.1 特性定义
3.1.2 模块框图
3.2 内部功能设计说明
3.2.1 存储器控制设计说明
3.2.2 特殊功能寄存器设计说明
3.2.3 中断设计说明
3.2.4 复位设计说明
3.2.5 时钟设计说明
3.3 流水架构设计说明
3.3.1 多级级指令流水线的划分
3.3.2 流水架构核心设计原理
3.3.3 典型流水指令的实现和各模块的设计划分
第四章 系统各模块的功能和实现
4.1 控制模块和指令解码模块
4.1.1 模块功能说明
4.1.2 模块实现说明
4.1.3 模块接口说明
4.2 程序地址指针模块
4.2.1 模块功能说明
4.2.2 模块实现说明
4.2.3 模块接口说明
4.3 算术逻辑单元模块
4.3.1 模块功能说明
4.3.2 模块实现说明
4.3.3 模块接口说明
4.4 特殊功能寄存器模块
4.4.1 模块功能说明
4.4.2 模块实现说明
4.4.3 模块接口说明
4.5 中断控制模块
4.5.1 模块功能说明
4.5.2 模块实现说明
4.5.3 模块接口说明
第五章 系统验证和性能评价
5.1 VERILOG HDL 实现
5.1.1 基本介绍
5.1.2 课题设计方法
5.2 MODELSIM 验证
5.3 典型指令实际执行模拟
5.3.1 算术指令
5.3.2 布尔运算指令
5.3.3 数据转移指令
5.3.4 程序跳跃指令
5.3.5 逻辑指令
5.4 性能说明
5.4.1 流水的性能
5.4.2 内核的性能
第六章 总结与展望
6.1 研究工作总结
6.2 研究展望
参考文献
附录1
附录2
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
本文编号：3789175
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/3789175.html
