基于RISC技术的8位微控制器设计
摘要： 介绍基于risc技术的8位微控制器的设计与实现。主要包括risc指令集的选取；取指单元、译码单元、执行单元的设计；取指、译码、回写三级流水线技术的实现。该微控制器包含8级硬件堆栈、1个8位计数器、1个计数器溢出中断、2个外部中断源、8位数据输入和输出端口、16个通用寄存器、2k×16位的程序存储器、512字节的数据存储器。设计使用可综合的verilog语言描述， quartusⅱ软件仿真，fpga器件验证实现。
关键词： risc verilog 8位微控制器 fpga
引 言
随着微电子技术的不断发展，超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，将整个应用电子系统集成在一个芯片中(soc)，已成为现代电子系统设计的趋势；以往高复杂度、高成本的嵌入式系统结构能够通过低成本的单片芯片实现。另一方面，复杂可编程逻辑器件(cpld)和现场可编程门阵列(fpga)集成度和速度不断提高，功能不断增强，开发人员可以使用高性能的eda综合开发工具和硬件描述语言(hdl)在短时间内设计出复杂的电子应用系统。目前，嵌入式系统已经在各行各业得到广泛应用。工控、通信、汽车、航空航天以及军事等各个领域都能看到嵌入式系统的身影，而微控制器(mcu)则是嵌入式系统的核心。
1 精简指令集计算机(risc)
1.1 risc的结构特征和设计原则
精简指令集计算机具有单周期单指令，存储器到寄存器的操作，简单的寻址方式和简单的指令格式的结构特征，其设计原则为：
① 选择使用频率高的指令，补充少量高效指令；
② 指令的结构简单，所有指令长度相等；
③ 采用流水线技术，尽量使cpi = 1；
④ 使用load/store操作指令访问存储器；
⑤ 采用通用寄存器(gpr)结构；
⑥ 优化编译，提高执行效率。
1.2 性能因子cpi和执行时间
性能因子是指微控制器每条指令的平均时钟周期数cpi（cycles per instruction）：
程序总的执行时间t为：
执行时间是微控制器性能的主要指标。在影响t的三个因素中，时钟频率取决于硬件技术；cpi与指令集和mcu的组成结构有关；而指令数由指令集和编译技术决定。要使微控制器的性能得到提高，优化指令集、减少程序的总指令数和降低cpi值是设计主要考虑的问题。
2 微控制器的系统结构
图1所示的微控制器主要由以下几个模块组成：
① prom程序存储器单元(program rom)。程序存储器容量为2k×16位。系统复位后，程序计数器pc指向程序存储器000h单元，程序从000h处开始执行。
② idec指令译码单元(instruction decoder)。指令译码器对输入的16位宽指令进行译码，输出寄存器、数据存储器的地址和读/写控制信号。
③ alu算术逻辑运算单元(arithmetic logic unit)。alu单元是mcu数据处理的核心部分，数据宽度为8位，具有加、减、逻辑运算和移位功能。alu单元有2个8位的数据输入和1个8位数据输出，1位进位输入，1位进位标志输出和零标志输出。运算操作码输入为4位，由译码单元提供。
④ regs寄存器单元(register)。1组16个8位寄存器，用于数据的高速存取。寄存器组具有2个数据输出端口和1个数据输入端口，读和写地址分开，可同时进行读/写操作。
⑤ dram数据存储器单元(data ram)。包含4段共512字节(每段128字节)的数据存储器，直接寻址能力为128字节，间接寻址能力为256字节，由程序状态控制寄存器psw的高2位控制段选地址。
⑥ ctrl控制单元(control unit)。整个mcu的控制中心，主要控制流水线操作、数据总线的控制和程序计数器的转移。另外，还包括中断、计数器和堆栈控制。
⑦ 其它。定义了1组数据输入端口、2组数据输出端口，数据位宽均为8位；2个外部中断输入int0和int1；1个8位计数器timer；7级程序堆栈stack，可实现7级子程序调用；1个8位的程序状态控制寄存器psw。各位功能如表1。
表1 psw各位功能
psw.7 psw.6 psw.5 psw.4 psw.3 psw.2 psw.1 psw.0
ram段选 ram段选 进位cin 保留 int1中断允许 计数器溢出中断 int0中断允许 启/停计数器
3 流水线技术
3.1 三级流水线结构
微控制器采用取指(if)、执行(ex)、回写(wb)三级流水线结构，如图2。各阶段的主要功能为：
取指级——从程序存储器中取出一条指令，同时进行指令译码，准备寄存器、存储器的读地址，读/写控制信号；
执行级——数据输入alu单元运算，同时准备寄存器或存储器的写地址；
回写级——将alu输出的运算结果写入寄存器或存储器中。
3.2 流水线竞争及解决
控制竞争，由程序pc 指针值的改变引起。当执行跳转指令时，pc指针值要到执行级才能改变，这将会使下一拍的取指操作出错。这时必须由硬件插入一条空操作nop指令，等待pc指针的值改变后再取下一条指令。
数据竞争，由指令间数据相关引起。存储器访问存在先写后读相关（read after write），前一条指令的写操作要到回写级才能完成。若紧接的下一条指令需要读取同一地址的内容时，必须使用旁路(bypassing)技术，从alu的输出结果直接反馈到alu的输入端供下一条指令的执行级使用。
4 指令集和指令格式
微控制器指令长度为16位定长，操作码采用可变长结构。操作码长有4位（立即数运算）、5位（跳转，寄存器－存储器运算）或8位（寄存器－寄存器运算）。支持的指令覆盖了最基本的mov、add、sub、and、or、 xor指令，以及移位、各种跳转指令等。指令集中可不含清零、取反、自增和自减指令，因这些指令可由and、 xor、add、sub指令代替。在51系列单片机中, 累加器的清零、取反、自增和自减运算（单周期）比累加器－立即数的逻辑运算（双周期）快；而在实现了单周期单指令的risc微控制器中，可用相应的逻辑运算指令实现寄存器的清零、取反、自增和自减操作，对性能没有影响。
图3
5 逻辑综合、仿真和硬件实现
所有模块均在altera 公司的quartus ii 2.1上进行逻辑综合、仿真测试通过，并在支持存储器的 flex10ke系列fpga器件上验证实现。逻辑综合结果为969个le数(logic elements)。以下是一简单程序，仿真波形如图3。
000: add r1,#01h ;指令为1101h，r1对应pb输出
001: mov r2,pa ;指令为fe62h，r2对于pc输出
002: jmp 000h ;指令为c000h，循环跳转
从仿真波形上可以清楚看到程序执行时pc指针的改变、pb口自增及pa口的数据传到pc口的过程，也可大致看出程序的取指、执行、回写三级流水的执行过程。同时还可看到在执行跳转指令jmp后自动插入一条空操作nop指令（ffffh）。
注：源代码见网站www.dpj.com.cn。
结 语
从逻辑综合与仿真测试的结果看，该微控制器完全达到了设计指标。设计的关键是三级流水线的实现和数据总线的控制。设计使用verilog 语言描述，可读性好，易于增减资源和修改功能，可方便地应用于嵌入式系统中。由于时间仓促和水平有限，许多问题未能考虑，不足之处恳请读者赐教。
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关键词： risc verilog 8位微控制器 fpga
引 言
随着微电子技术的不断发展，超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，将整个应用电子系统集成在一个芯片中(soc)，已成为现代电子系统设计的趋势；以往高复杂度、高成本的嵌入式系统结构能够通过低成本的单片芯片实现。另一方面，复杂可编程逻辑器件(cpld)和现场可编程门阵列(fpga)集成度和速度不断提高，功能不断增强，开发人员可以使用高性能的eda综合开发工具和硬件描述语言(hdl)在短时间内设计出复杂的电子应用系统。目前，嵌入式系统已经在各行各业得到广泛应用。工控、通信、汽车、航空航天以及军事等各个领域都能看到嵌入式系统的身影，而微控制器(mcu)则是嵌入式系统的核心。
1 精简指令集计算机(risc)
1.1 risc的结构特征和设计原则
精简指令集计算机具有单周期单指令，存储器到寄存器的操作，简单的寻址方式和简单的指令格式的结构特征，其设计原则为：
① 选择使用频率高的指令，补充少量高效指令；
② 指令的结构简单，所有指令长度相等；
③ 采用流水线技术，尽量使cpi = 1；
④ 使用load/store操作指令访问存储器；
⑤ 采用通用寄存器(gpr)结构；
⑥ 优化编译，提高执行效率。
1.2 性能因子cpi和执行时间
性能因子是指微控制器每条指令的平均时钟周期数cpi（cycles per instruction）：
程序总的执行时间t为：
执行时间是微控制器性能的主要指标。在影响t的三个因素中，时钟频率取决于硬件技术；cpi与指令集和mcu的组成结构有关；而指令数由指令集和编译技术决定。要使微控制器的性能得到提高，优化指令集、减少程序的总指令数和降低cpi值是设计主要考虑的问题。
2 微控制器的系统结构
图1所示的微控制器主要由以下几个模块组成：
① prom程序存储器单元(program rom)。程序存储器容量为2k×16位。系统复位后，程序计数器pc指向程序存储器000h单元，程序从000h处开始执行。
② idec指令译码单元(instruction decoder)。指令译码器对输入的16位宽指令进行译码，输出寄存器、数据存储器的地址和读/写控制信号。
③ alu算术逻辑运算单元(arithmetic logic unit)。alu单元是mcu数据处理的核心部分，数据宽度为8位，具有加、减、逻辑运算和移位功能。alu单元有2个8位的数据输入和1个8位数据输出，1位进位输入，1位进位标志输出和零标志输出。运算操作码输入为4位，由译码单元提供。
④ regs寄存器单元(register)。1组16个8位寄存器，用于数据的高速存取。寄存器组具有2个数据输出端口和1个数据输入端口，读和写地址分开，可同时进行读/写操作。
⑤ dram数据存储器单元(data ram)。包含4段共512字节(每段128字节)的数据存储器，直接寻址能力为128字节，间接寻址能力为256字节，由程序状态控制寄存器psw的高2位控制段选地址。
⑥ ctrl控制单元(control unit)。整个mcu的控制中心，主要控制流水线操作、数据总线的控制和程序计数器的转移。另外，还包括中断、计数器和堆栈控制。
⑦ 其它。定义了1组数据输入端口、2组数据输出端口，数据位宽均为8位；2个外部中断输入int0和int1；1个8位计数器timer；7级程序堆栈stack，可实现7级子程序调用；1个8位的程序状态控制寄存器psw。各位功能如表1。
表1 psw各位功能
psw.7 psw.6 psw.5 psw.4 psw.3 psw.2 psw.1 psw.0
ram段选 ram段选 进位cin 保留 int1中断允许 计数器溢出中断 int0中断允许 启/停计数器
3 流水线技术
3.1 三级流水线结构
微控制器采用取指(if)、执行(ex)、回写(wb)三级流水线结构，如图2。各阶段的主要功能为：
取指级——从程序存储器中取出一条指令，同时进行指令译码，准备寄存器、存储器的读地址，读/写控制信号；
执行级——数据输入alu单元运算，同时准备寄存器或存储器的写地址；
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000: add r1,#01h ;指令为1101h，r1对应pb输出
001: mov r2,pa ;指令为fe62h，r2对于pc输出
002: jmp 000h ;指令为c000h，循环跳转
从仿真波形上可以清楚看到程序执行时pc指针的改变、pb口自增及pa口的数据传到pc口的过程，也可大致看出程序的取指、执行、回写三级流水的执行过程。同时还可看到在执行跳转指令jmp后自动插入一条空操作nop指令（ffffh）。
注：源代码见网站www.dpj.com.cn。
结 语
从逻辑综合与仿真测试的结果看，该微控制器完全达到了设计指标。设计的关键是三级流水线的实现和数据总线的控制。设计使用verilog 语言描述，可读性好，易于增减资源和修改功能，可方便地应用于嵌入式系统中。由于时间仓促和水平有限，许多问题未能考虑，不足之处恳请读者赐教。
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