基于RISC结构的微控制器分析与设计

论文摘要

微控制器（MCU）出现近40年来,在消费电子,汽车电子和工业应用等领域得到了广泛的应用,随着集成电路系统进入片上系统（SOC）时代,MCU不但可以作为单个芯片应用于嵌入式系统中,也可以作为IP核集成进超大规模集成电路系统中,在国内市场上,国外MCU产品大行其道,面对如此广阔的市场,国内企业由于起步晚,技术薄弱等原因,所占市场份额较少,因此开发一款具有自主知识产权的MCU就显得相当重要,虽然应用场合多种多样,单靠一种产品已经无法满足变化万千的市场需求,但是MCU的发展呈现出单一化和集成化的发展趋势,无论MCU产品的应用场合如何变化,MCU核心模块的发展具有一定的稳定性,只要确定了MCU的体系结构,开发出基本组成模块,后续的应用开发只要在此基础上进行相应的裁剪即可。本文在仔细分析了Microchip公司的PIC系列产品中的PIC16C6X系列微控制器后,提出了采用数据总线和指令总线相分离的哈佛双总线结构,采用两级流水线结构,在原有的时序基础上,采用改进的单时钟周期时序,提高了电路的时钟频率,加快了MCU系统的运行速度,在指令的译码和运算模块采用硬逻辑增快了电路的速度,为了提高MCU的市场适应性采用了兼容于PIC16C6X的指令系统,整个指令系统具有35条指令,绝大多数指令能够在单周期完成,整个MCU系统采用自上而下的（TOP-DOWN）的设计方法完成了各个模块的硬件语言的描述设计,运用Mentor公司的Modelsim软件进行了功能仿真验证,同样应用Mentor公司的DC软件完成电路的综合,结果显示电路系统的速度超过了PIC16C6X系列的最高时钟频率20MHz。最后通过Cadence公司的EDI软件进行了初步的布局布线,结果证明MCU系统具有一定的可实现性。为了增强电路系统的运算能力,本文还设计了一款可嵌入到MCU中的8位乘法器,该乘法器模块采用改进BOOTH算法,通过改进其中的编码门级电路和压缩阵列结构,提高乘法器的运算速度,完成乘法器硬件语言描述,并且完成了基于SMIC公司的工艺完成了DC综合。结果显示乘法器速度达到了188MHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MCU 的定义
• 1.2 MCU 的发展与趋势
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 设计方法和设计流程
• 2.1 数字系统设计
• 2.1.1 综合仿真测试技术
• 2.1.2 自顶向下设计方法与设计流程
• 2.1.3 硬件描述语言
• 2.1.4 高层次化设计技术特点
• 2.2 MCU 设计流程
• 第三章 RISC MCU 体系结构和指令分析
• 3.1 RISC MCU 体系结构设计
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 RISC MCU 总体结构
• 3.1.3 RISC MCU 的时序和流水线设计
• 3.2 指令系统分析
• 3.2.1 指令结构
• 3.2.2 寻址方式
• 3.2.3 指令执行流程
• 3.2.4 MCU 指令说明
• 第四章 主要模块电路设计
• 4.1 时钟产生电路模块
• 4.2 指令译码器
• 4.2.1 指令译码器的原理
• 4.2.2 指令译码器的实现
• 4.3 算术逻辑运算单元ALU
• 4.4 存储器设计
• 4.5 定时/计数器
• 4.6 程序计数器（PC）和堆栈
• 4.7 特殊寄存器
• 4.8 I/O 端口设计
• 第五章 MCU 的综合与实现
• 5.1 仿真和综合的概述
• 5.2 MCU 的仿真
• 5.2.1 仿真策略的制定
• 5.2.2 仿真工具的选择
• 5.3 MCU 的逻辑综合
• 5.4 RISC MCU 的FPGA 验证
• 5.5 RISC MCU 的后端设计
• 第六章 乘法器电路模块
• 6.1 简述
• 6.2 乘法器的结构
• 6.2.1 部分积的生成
• 6.2.2 部分积的压缩
• 6.2.3 乘法器最终求和
• 6.3 设计结果分析
• 6.4 总结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文