4位RISC MCU IP软核的设计研究

论文摘要

本课题的研究目的是开发并设计一款面向家用电器类产品的4位RISC MCU IP软核。在对市场需求的调研对比后,通过对各种家用电器类产品的具体功能、应用特点及硬件需求进行了分析,确定了CPU的架构及常用的外围硬件资源做为本课题的研究基础,以便今后在此设计的基础上衍生出系列化产品。经过深入细致的研究,本课题设计的MCU最终采用了数据总线和指令总线相互分离的哈佛双总线、以及Microchip公司PIC微控制器的两级流水线体系结构;指令集主要参考了PIC的指令集架构,并结合自身的硬件资源特点进行设计。通过深入分析PIC及其他知名系列单片机系统结构、指令系统和系统时序,把握了微控制器的设计思想,并且在此基础上对精简指令集MCU IP核进行顶层功能和结构的定义与划分;采用自顶向下的数字系统设计方法,建立了一个可行有效的RISC MCU IP核模型;采用IP核重用技术、当前流行的Verilog硬件描述语言和高层次综合方法,对各个模块进行设计描述;并借助多种EDA工具对各个具体功能模块及整个系统进行了仿真,综合和验证。本系统IP核的设计主要包括CPU基本模块、外围常用基本模块和MCU的中断系统。本文着重按照流水线的工作流程具体讨论了CPU各基本模块的工作原理和设计实现方法,大致介绍了外围常用基本模块,最后就MCU的中断系统进行了详细的描述。整个系统已经通过了全面的指令集测试,包括单条指令集测试和指令组合测试。经测试验证结果表明:所设计的MCU IP核能够准确无误的执行除stop、wait以外的38条指令,达到了所要设计的MCU的性能指标要求。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章：绪论
• 1.1 单片机简介
• 1.2 本课题的选题目的和意义
• 1.2.1 本课题的选题背景
• 1.2.2 课题的选题目的和意义
• 1.3 论文的研究内容与结构安排
• 1.3.1 研究内容与方法
• 1.3.2 论文结构安排
• 第二章：设计方法与设计流程
• 2.1 数字系统高层次设计
• 2.1.1 自顶向下设计方法与设计流程
• 2.1.2 硬件描述语言
• 2.1.3 高层次设计技术优点
• 2.2 MCU IP 核设计流程
• 第三章：RISC MCU IP 核的结构设计与指令集分析
• 3.1 微控制器的硬件结构及特点
• 3.2 微控制器的架构
• 3.2.1 资源概述
• 3.2.2 CPU 的时序图和指令周期
• 3.3 指令系统
• 3.3.1 指令系统概述
• 3.3.3 RISC 的定义与特点
• 3.3.4 RISC 指令集的选取
• 第四章：MCU IP 核模块电路的设计
• 4.1 MCU IP 核的基本模块实现
• gen）'>4.1.1 系统时钟产生电路模块（clk_gen）
• 4.1.2 指令译码器（decode）
• mux）'>4.1.3 数据选择器（data_mux）
• 4.1.4 算数逻辑运算单元 ALU（aluown）
• cntr）'>4.1.5 程序计数器和堆栈（prgm_cntr）
• 4.1.6 特殊功能寄存器模块
• 4.1.7 I/O 模块
• 4.2 定时/计数器与基准定时器
• 4.2.1 通用定时/计数器（time10）
• 4.2.2 基准定时器（basetimer）
• 4.3 看门狗
• 4.4 音频控制模块
• 4.5 存储器设计
• 第五章：MCU 的中断系统设计
• 5.1 中断源
• 5.2 中断优先级设计
• 5.3 中断响应
• 5.4 PC 和堆栈模块
• 5.5 中断系统的仿真验证
• 第六章：MCU IP 核的FPGA 仿真与综合
• 6.1 仿真和综合概述
• 6.2 功能仿真
• 6.3 逻辑综合
• 6.4 综合后仿真
• 6.5 布局布线
• 6.6 时序仿真
• 6.7 仿真策略及仿真图
• 6.8 功能评价与仿真体会
• 6.8.1 功能和性能评价
• 6.8.2 仿真体会
• 第七章：总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢