通用型8位MCU内核设计及应用

论文摘要

MCU在现实生活中越来越多,人们也越来越享受MCU带来的生活上的便利。从智能家电、消费类电子、电动自行车到远程抄表、网络支付等现代化产品都体现出MCU的巨大作用和深远影响。由于MCU内核的结构不同,其工作速度和性能也不同。RISC结构简单,指令少,CISC复杂,指令较多,但编译方便;Harvard结构由于寻址方式的原因较冯·诺伊曼结构工作速度快。本文主要研究了MCU内核的电路结构和实现方式,并通过一个混合信号的MCU—HS16C711来验证内核。本文着重讨论了ALU的设计方法,演算出ALU和加法器之间的逻辑递推关系,研究分析了Core的时钟系统、时序、指令代码的译码方式、两级流水线的结构等,并设计了MCU的常用电路如RAM、Program Counter、堆栈等。本设计采用原理图直接输入的方式,利用cadence工具软件Verilog-XL进行了逻辑仿真,关键电路使用hspice进行了电路网表仿真,如四相时钟和复位电路等。设计完成后,利用QuartusII工具编译、下载,进行了FPGA测试。最后利用CSMC0.5um N阱CMOS混合信号工艺进行了版图布局和生产。通过实际流片后,验证了设计的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MCU 的发展
• 1.2 MCU 的应用
• 1.3 本论文的研究意义
• 1.4 本论文的任务与目标
• 1.5 本文内容与章节安排
• 第二章 MCU 架构的研究与设计
• 2.1 MCU 的架构
• 2.2 CORE（内核）的分析
• 2.2.1 流水线结构
• 2.2.2 Core 的基本构成
• 2.2.3 Core 的指令设置
• 2.2.4 Core 的相关寄存器设置
• 第三章 Core 的设计
• 3.1 ALU 的设计
• 3.1.1 Sum 的电路设计
• 3.1.2 Cout（Co）“进位”电路设计
• 3.1.3 Ain 的输入结构
• 3.1.4 ALU 的位结构
• 3.2 CORE 的时钟系统设计
• 3.3 CORE 的时序设计
• 3.3.1 指令寄存器和译码模块的时序
• 3.3.2 ALU 操作时序
• 第四章 MCU 几个关键电路的设计
• 4.1 PC 和STACK 的设计
• 4.1.1 PC 的设计
• 4.1.2 STACK（堆栈寄存器）
• 4.2 RAM 的设计
• 4.2.1 RAM 位单元
• 4.2.2 预充电电路
• 4.2.3 数据放大读写电路
• 4.2.5 译码电路
• 第五章 Core 的应用设计
• 5.1 存储器结构
• 5.1.1 程序存储器
• 5.1.2 数据存储器
• 5.1.3 特殊寄存器描述
• 5.2 I/O 端口结构
• 5.3 模块设计
• 5.3.1 ADC 的设计
• 5.3.2 中断系统的设计
• 5.3.3 复位电路的设计
• 5.3.4 定时/计数器TMR0 的设计
• 第六章 仿真与验证
• 6.1 4 相时钟的仿真
• 6.2 core 的仿真
• 6.3 MCU 相关电路的仿真
• 6.3.1 中断电路的仿真
• 6.3.2 休眠逻辑的仿真
• 6.3.3 8 位ADC 的仿真
• 6.3.4 看门狗定时器的仿真
• 6.4 FPGA 验证
• 6.5 总结
• 第七章 版图与流片
• 第八章 后记
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文著作
• 致谢