16位微控制器的設計與實現
電子設計工程 劉麗 劉第
摘要： 這里描述了一款自主研發的16位嵌入式微控制器(A8096)的設計與實現，基于RTL級設計方法使用VerilogHDL進行設計描述，在設計中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時MCU兼容了MSC-96指令集，目標是可以應用于實際嵌入式系統項目中。
Abstract：
Key words :
隨著信息技術的發展，網絡通信、信息安全和信息家電產品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產品中必不可少的部件。目前國內一些科研院校和半導體公司都在致力于研發自主設計的嵌入式微控制器，這對我國的半導體產業、電子產品產業的發展具有重要意義。
這里描述了一款自主研發的16位嵌入式微控制器(A8096)的設計與實現，基于RTL級設計方法使用Verilog HDL進行設計描述，在設計中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時MCU兼容了MSC-96指令集，目標是可以應用于實際嵌入式系統項目中。
1 總體設計
1．1 MSC-96體系結構
圖1所示為MSC-96體系結構。Intel 8096微控制器是由通用寄存器陣列、算術邏輯單元(RALU)和微程序控制器等模塊組成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一個片內ROM存儲器，因而會造成面積和功耗都會較大。
MCU內部的寄存器陣列通過一個控制器和2條總線與RALU相連。這兩條總線是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU與寄存器之間的數據傳輸，而A-BUS用作上述傳輸過程中的地址總線。當MCU通過寄存器控制器訪問片內外寄存器時，A-BUS可作為多路轉換的地址／數據總線。
1．2 A8096總體結構
為了減少面積和功耗，A8096采用硬布線邏輯控制方式取代上述的微程序控制器。依據MSC-96的體系結構，A8096主要功能模塊包括：IPU(InstrucTIon Pre-fetch Unit。指令預取單元)、CU(Control Unit，控制單元)、ALU(Arithmetic Logical Unit，算術邏輯單元)、MEM_C-TRL(MEM控制器)、RF_CTRL(寄存器堆控制器)、ISR(Interrupt Service Routine unit，中斷服務單元)、GPIO(General Purpose Input Out-put，通用輸入輸出單元)等主要功能部件。其結構如圖2所示。
1．3 系統總線
A8096采用3條總線：一條是MEM總線，用于IPU和MEM CTRL對程序空間和數據空間的讀寫控制；16 bit的數據線，16 bit的地址線，讀寫信號memrd／memwr；一條是內部寄存器陣列(Register File)總線，用于RF_CTRL對內部寄存器陣列的讀寫訪問，地址線是8 bit的，數據線為16 bit，讀寫信號為rf_rd／rf_wr；一條是SFR總線，用于訪問數據空間地址在00H～19H的特殊定義的寄存器空間。8 bit的地址總線，16bit的數據總線，讀寫信號sfrrd／sfrwr。另外IPU和MEMCTR的數據交互是通過8 bit的數據線instr_bus完成的，其作用是從預取指令隊列中將指令傳給CU單元等。
2 MCU設計與實現
2．1 MCU工作原理
A8096通過IPU(指令預取單元)指令預取，并存放在預取指令隊列中，CU(控制單元)從IPU指令隊列中取指并進行譯碼，產生控制時序等信號。ALU單元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有譯碼模塊，依據當前指令和當前指令周期主動工作。如：RAM控制器在加法指令的相應周期取操作數送往ALU單元，ALU在相應周期接收數據，然后進行運算并將結果輸出。
2．2 MCU啟動過程
在上電復位時，MCU處于復位態(rst信號有效)。復位時，IPU單元中的指令隊列清空(empty信號有效)，總線處于空閑態，IPU立刻進行指令預取動作，程序空間的首地址(2080H)指令即被取人指令隊列，隨后隊列空信號(empty)無效，同時指令被發送出去(instr_bus)。在復位同時，控制單元(CU)的取指信號(codefetche)即一直有效，在指令隊列空信號empty無效后(在empty無效之前CU一直等待)，指令即通過instr_ bus進入了CU，指令操作碼被存入了指令寄存器，如圖3中instr寄存器更新為加法指令的操作碼74。至此，MCU完成了復位、自動取指操作，并開始往下執行該指令，IPU單元也會繼續進行指令預取操作。
2．3 指令執行過程
在A8096中，有兩級指令預取概念：一級是指令預單元IPU利用總線空閑從程序空間不斷預取指令存入指令隊列中；一級則是指令執行過程中的指令預取，當一條指令執行到最后一個時鐘周期時，CU單元就會發送取指信號，進行指令執行級的預取指動作，下一條指令的操作碼即被預取出來(指令隊列為空時需等待)，并立刻進行譯碼確定指令的字節長度和指令執行周期數。
如圖4所示，在加法指令的最后一個周期(cycle=05)，CU單元取指信號codefetche有效，則下一條指令的操作碼(6C，乘法操作碼)被預取出來，同時進行查表譯碼確定其指令字節長度和指令周期數，隨后操作碼被存入指令寄存器instr中(此時，指令周期計數器cycle又從01開始計數)。后面乘法指令的操作數也會不斷被取進來執行，直到乘法指令最后一個周期時，又將下一條指令的操作碼預取進來。
需要說明：codefetche為取操作碼信號，datafetche為取操作數信號。在指令最后一個周期時若有中斷請求，則插入LCALL指令進行中斷處理，讀取下一條指令。其流程如圖5所示。
2．4 指令譯碼過程
在MCU設計過程中，首先完成對各條指令的指令分析工作，確定每個周期該做的動作，然后各部件依據指令分析表進行相關的指令譯碼(RAM控制器只譯RAM要做的動作，ALU只譯ALU要做的動作)。過程描述如下：在預取操作碼時，CU單元對操作碼進行譯碼確定指令的字節長度(nr_bytes)和指令周期數(nr_cycles)。然后CU依據指令字節長度(nr_bytes)取操作數，其他部件依據指令和當前指令周期(curcycle)執行相應的指令操作。表1為加法指令分析表，下面以加法指令的譯碼過程來說明整個譯碼流程：
1)加法指令 ADD OPl OP2(將OPl+0P2結果寫入OPl中)；其目標碼格式為：ADD OP2 OPl，其中OPl和OP2均為操作數地址。
2)0周期 實際指上一條指令的最后一個時鐘周期，此周期codefetche取指信號有效，IPU單元將指令送入CU單元確定了指令周期和指令長度。
3)l周期 取操作數信號datafetche有效，op2(地址)進來，被送入RAM地址線，發讀信號(從RAM寄存器陣列取操作數2)。
4)2周期 操作數2被取入，并存入ALU中的a寄存器；此周期取操作數信號datafetche有效，opl(地址)進來，被送入RAM地址線，發讀信號。
5)3周期 操作數l被取入，并存入ALU中的b寄存器；加法器立刻進行a+b運算。
6)4周期 將加法結果放到RAM數據線上，地址線=opl，發寫信號。將加法結果寫回到opl中，并依據結果對PSW進行處理。
7)5周期 無動作，用于寫回操作的過程。
3 驗證結果
3．1 仿真驗證
芯片的功能與結構設計，只是設計流程的一部分，為保證最終設計成功，必須對其全面仿真與功能驗證。對MCU的測試方法如下：1)功能模塊的單元測試，驗證模塊的功能正確性，包括接口時序等。2)系統集成測試，首先編寫簡單的機器碼測試向量進行初步調試：然后使用編譯器寫匯編程序，編譯成二進制機器碼進行程序功能測試。在集成測試中，編寫匯編測試程序，用編譯器編譯成機器碼，在Cadenee NC下運行這些測試程序進行仿真測試。對每條指令均測試了其各種尋址方式，且測試程序自動向DEBUG寄存器寫測試結果，以方便調試。經過復雜的測試和不斷修正，驗證結果顯示MCU指令執行的正確性。
3．2 FPGA驗證
使用的FPGA器件是StraTIxⅡ型號為EP1S40F780C7。綜合結果顯示：A8096使用3 565個LE(Logic Element)。時序分析結果：A8096可以運行在49．93 MHz的時鐘頻率下。A8096占用FPGA資源分布情況如圖6所示。
4 結論
本設計中，采用RISC技術中的硬布線控制邏輯，有利于減少MCU面積、降低功耗以及提高MCU執行效率，FPGA實現表明其只占用了3 565個LE單元，工作時鐘可達50 MHz。同時該MCU具有很強的擴展性與實用性，應用領域廣泛，可方便與定時器、串行通訊接口(I2C)、串行外圍接口(SPI)、模數(A／D)轉換器等外圍功能單元組成各種嵌入式系統，完全具備實際應用價值。
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