（微电子学与固体电子学专业论文）基于精简指令8位微控制器全定制设计.pdf

摘要 本论文基于全定制设计方式，详细论述了以两级流水线方式工作的8 位精简 指令集微控制器的设计。文中首先通过对计算机体系结构的介绍尤其是指令系统， 引入对m c u 的阐述。采用当前最为流行的r i s c 架构，指令执行效率高；采用单 节拍单操作的指令处理方式，运算处理快，设计上更加简单；对指令的机器码进 行合理设置，使译码控制设计得到很大简化；对系统中的各功能模块电路都迸彳亍 对比和优化设计，尤其对一些关键的运算部件进行优化，例如程序计数器、时序 产生器、算术逻辑运算单元、超前进位加法器等电路，得到更为优越的性能，提 高系统应用频率。采用c h a r t 0 3 5 m 工艺参数，仿真结果表明指令功能正确实现， 流水线可正确执行，最高应用频率可达到1 0 0 m h z 。 关键宇：微控制器精简指令集全定制设计流水线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sad e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h ed e s i g no fa l l8 - b i tr i s cm c uw i t ha t w o - l e v e lp i p e l i n ew h i c hi sb a s e do i lf u l l - c u s t o md e s i g nf l o w f o h o w i n ga l li n t r o d u c t i o n o fc o m p u t e rs y s t e ma n da r c h i t e c t u r ee s p e c i a l l yt h ei n s t r u c t i o ns y s t e m ，a no v e r v i e wo f t h ed e s i g n e dm c u sp r o v i d e d ，t h i ss y s t e me m p l o y st h em o s tw i d e l yu s e dr i s c s t r u c t u r ea tp r e s e n ta n dh e n c eh a sh i 咖e f f i c i e n c yi ni n s t r u c t i o ni m p l e m e n t b yd e a l i n g t h ei n s t m c t i o nw i t ht h em o d eo n eo p e r a t i o ni no n et i m es e q u e n c e ，t h eo p e r a t i o ns p e e di s b o o s t e da n dam o r es i m p l i f i e da n dc o m p a c td e s i g ni sa c h i e v e d t h es e to fi n s t r u c t i o n m a c h i n ec o d ei sm o r er e a s o n a b l ea n ds i m p l i f i e st h ed e s i g no fc o d i n gc o n t r o l l e r e a c h c o m p o n e n to ft h ed e s i g n e ds y s t e mi sc o m p a r a t i v e l yd e s i g n e da n df u r t h e ro p t i m i z e d p a r t i c u l a r l y ，t h i st h e s i s f o c u s e so nt h eo p t i m i z a t i o no ft h ek e yo p e r a t i o np a r t sl i k e p r o g r a mc o u n t e r , t i m es e q u e n c eg e n e r a t o r , a l u ，t h ea d v a n c i n gc a r r yc h a i na n ds oo n , s oa st oa c h i e v em o r ep r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c ea n de n h a n c et h es y s t e ma p p l i e d f r e q u e n c y c h a r t 0 3 5 u mp r ：e s si sa d o p t e d t h es h n u l a f i o nr e s u l tv e r i f i e st h ef u n c t i o no f t h e d e s i g n e di n s t r u c t i o ns y s t e ma n dt h ep i p e l i n ei si ne f f e c t t h em a x i m u ma p p l i e df r e q u e n c yc a n r e a c h1 0 0 m h z k e y w o r d ：m i c r oc o n t r o l l e r r e d u c e di n s t r u c t i o us e tc o m p u t e rf u j i - c u s t o m p i p e l i n e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：丝壹插 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1m c u 的定义及应用 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，微控制器) 也称为单片微型计算机( s i n g l ec h i p c o m p u t e r ) ，即通常所说的单片枧，将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器、 多种i o 接口和外围电路集成在单一芯片上，形成芯片级的计算机，是微型计算机 的一个重要分支。自1 9 7 5 年摩托罗拉推出全球第一块m c u 以来，已有3 0 多年的 历史，被广泛应用于消费类电子、汽车电子、信息、工业控制、通信、航天和军 用领域，并渗透到日常生活的各个领域。为适应不同应用场合的需要，一般一个 系列的m c u 有多种衍生产品，它们采用同一种处理器核，集成不同的外围部件来 满足各种应用需求，如面向数据采集的m c u 就集成了高精度的a 刀转换器，而对 应用开发u s b 设备时则需要内部集成u s b 接口电路的m c u 。这样可以使m c u 最 大限度地与应用需求相匹配，减少功耗和成本。m u l l 的最大特点是使微机单片化， 体积大幅度减小，功耗和成本下降，可靠性提高，因此成为嵌入式系统领域应用 的主流。 1 2m c u 的发展与趋势 自从1 9 7 5 年美国1 r i 公司( 德克萨斯仪器公司、t e x a si n s t r u m e n t s ) 推出第一个 单片机1 m s 1 0 0 0 ，迄今为止单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，单片 机的应用领域也越来越广阔，特别是在工业设备控制、仪器的智能化和嵌入式系 统中扮演着重要角色。随着大规模集成电路工艺技术的进一步发展，市场需求不 断地提高以及新型半导体器件的涌现和制造工艺的改进，单片微型计算机的运算 速度、内存容量、外围部件及其体系结构、指令系统和数据处理的位数也在不断 地发展和改迸。 单片机从出现以来，发展迅速。目前市场上的有4 、8 、1 6 、3 2 位等众多类型。 其中4 位m c u 多用于电子计算器、遥控器和部分家电中；8 位m c u 应用于电视机、 磁盘机、汽车电子设备、计算机外设等；1 6 位m c u 是为满足嵌入式系统要求有更 高的处理速度和寻址能力，更好的电磁兼容性能的发展趋势而设计的：3 2 位m c u 主要面向需要更高能力和更大空间应用。虽然日翦1 6 位、3 2 位m c u 的应用正在走 热，但8 位m c u 诞生至今已近3 0 年，其性能不断完善，依然是低端嵌入式应用的主 2 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 力军。目前m c u 的发展趋势表现在以下几个方面： 1 ) 8 位和3 2 位m c u 发展迅速，1 6 位产品处境尴尬 就当前市场看，市场主流为8 位产品，3 2 位产品市场正在逐步成长，1 6 位产 品面临尴尬地位。 8 位m c u 主要功能是作为控制，大部分应用在通信产品、p c 外围设备、消 费类电子以及一般通用型产品之中。8 位产品具有低廉的生产成本、巨大的整体出 货量、简洁的程序代码等优势，因此设计人员在综合考虑成本、效能、设计时效 等因素之后大部分选择8 位微控制器产品。在市场上8 位微控制器应用依然占据 微处理器市场近六成以上的市场份额，并且还在不断增长中。要求低成本和小尺 寸器件的嵌入式应用是使8 位m c u 仍然是应用主流的主要因素1 1 1 日渐增长的高性能应用需求，包括数码相机、手机等便携式数码产品市场以 及功能更复杂，应用更先进的信息家电、汽车电子、电子玩具市场促进3 2 位m c u 产品需求的增长。更宽的寻址范围需求的增长对更多的比如应用在时钟速度方面 需要更多原始c p u 能力，嵌入式应用需要网络连接、u s b 通信接口等性能要求的 增长；m c u 对r t o s ( 实时操作系统) 的需求也正迅速成为一种现实需求。三类 应用需求的增长是m c u 向3 2 位产品发展的原动力，再加上生产工艺的进步使得 3 2 位产品在整体成本上与1 6 位产品相差无几。因此3 2 位产品在m c u 市场呈持 续上升的发展势头。可以预见，将来3 2 位产品将有可能侵蚀8 位微控制器市场， 成为微控制器市场主流。 1 6 位产品由于价格上难以与8 位产品竞争，而性能又很容易被3 2 位替代，再 加上工艺上的进步使3 2 位m c u 的价格迅速降低，越来越多的m c u 供应商开始 跨过1 6 位而直接进行3 2 位产品的开发。1 6 位产品处于一种“高不成，低不就”的 尴尬地位。 2 ) 内嵌式闪存 目前的m c um e m o r y 主要有m a s kr o m 、o n e - t i m ep r o g r a m m a b l e ( o t p ) m e m o r y 、f l a s h m e m o r y 等。m a s k r o m 有价格上的优势，f l a s h m e m o r y 有加速产 品开发时间的特性，o n e - t i m ep r o g r a m m a b l e ( o t p ) m e m o r y 则介于两者之间，目 前大多厂商都有多种版本的m c u 供客户选择使用。f l a s h b a s e dm c u 最大的好处 是客户可以快速的改变程序以达到缩短产品上市时间的需要。根据d a t a q u e s t 的调 查，大约可缩短1 0 至1 6 周的时间。未来微控制器的市场将会以m a s k r o m 与f l a s h m e m o r y 为主体。 3 ) d s p ( 数字信号处理器) + m c u 是处理器领域的新战场 各类数字消费产品( 特别是便携式数字产品) 功能多元化的趋势，n 信息化 家电市场崛起，人们对于i c 整合、快速和便宜的要求越来越高，d s p + m c u 这种 混合式处理器架构也就应运而生，成为各大半导体厂商新的竞争领域。新的架构 第一章绪论 3 集合m c u 对于操作系统、通信协议的控制和d s p 对实时任务和大量算法的处理 两大优势，能更好的满足数字消费产品日渐复杂的功能需求。不满足于现状，希 望通过新的技术来开发新市场也是促使各m c u 或者d s p 厂商进行相互渗透的原 因之一，另外，降低系统成本、缩小封装尺寸、减少功耗更是诞生d s p + m c u 这 种混合架构处理器的驱动原因之一 如今，m c u + d s p 架构已经成功应用于手机、音视频处理、电源管理、互联 网接入、p o s 终端、信息家电产品以及马达控制等方面。d s c 的可用性将使信号 处理算法在嵌入式控制系统设计中获得更大的应用，进一步降低那些以前需要高 成本器件、大量开发工作的产品成本。 需要注意的是，既然是作融合，那么如何处理二者之间的搭配关系，如何处 理好双核闻的通信和存储资源的最佳化调配以及开发工具将是所有工程技术人员 需要面临的较大问题。 4 ) 模拟技术在m c u 中的渗透，促进嵌入式系统发展 模拟与数字的协同是嵌入式系统发展过程永恒不变的课题。层出不穷的基于 数字技术的数字消费产品、无线通讯设备，传统模拟产品如电视等也开始加入数 字信号处理的能力。各类新型的应用和功能对模拟技术又提出了更新的要求。从 当今模拟与数字技术的发展现状来看，m c u 数字部分的性能与人们希望值之间的 差距在不断地减小，但m c u 在模拟部分的进展却与其在数字方面的发展速度不相 匹配。 m c u 在嵌入模拟信号处理单元上，根据其嵌入模拟信号的种类，可以将其分 为两种方式。一种方式是集成更多种类的模拟单元，并提高它们的精度。由于技 术和市场的因素，目前多数m c u 在模拟单元集成方面仅限于d a c 和a d c ，不过 随着人们对r r 产品性能需求的不断增加，集成其他模拟单元的m c u 正不断出现， 例如m i 删) c 跹p 面对无线市场推出的r f p i c l 2 c 5 0 9 a g 5 0 9 a f 等等：另一种方式就 是增强m c u 中各模拟单元的可配置性。数字技术从最初的基本逻辑电路直发展 至今天以m c u 、d s p 、f p g a 和c p l d 为主的大规模i c ，其发展实质就是不断增 强元件的可配置性。无论从降低开发、生产和维护成本上来看，或者是从缩短产 品上市时间来看，增强m c u 中嵌入的模拟单元的可配置性将是未来推动模拟和数 字融合向更高层次发展的必然趋势 国内m c u 市场的发展又如何呢? 2 0 0 1 年国内m c u 市场总需求量约为7 7 9 亿块，比2 0 0 0 年的6 3 4 亿块增长 2 2 9 。2 0 0 3 年嵌入式系统应用产品经济总量达1 0 0 0 亿元，其中嵌入式处理器芯 片约为1 0 0 亿2 0 0 4 年国内嵌入式微处理器销售总量约为1 0 2 亿片，4 位m c u 占2 6 亿片、8 位约占6 6 亿片，3 2 位m p u 占0 7 5 亿片 微控制器市场按产品特性来看，4 - b i t 和f - b i t 微控制器产品所占市场份额最大， 4 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 2 0 0 1 年分别为3 9 和5 8 ，1 6 - b i t 与3 2 _ b i t 产品所占市场份额小得多，共占3 。 由于我国电子信息产品以中低档为主，4 - b i t 和8 _ b i t 产品增长率虽有逐年放缓的趋 势，但至少将保持1 0 左右的增长速度；1 6 - b i t 与3 2 - b n 微控制器所占市场比例虽 极小，成长速度却很快，2 0 0 1 年的增长率分别达到3 5 和8 8 。从微控制器产品 应用领域来看，2 0 0 1 年国内消费领域对m c u 产品的需求量占整个m c u 市场的 2 1 ；计算机领域对m c u 产品的需求量占整个m c u 市场的2 3 ；通讯领域对 m c u 产品的需求量占整个m c u 市场的5 0 ；其他领域占6 的市场份额。其中， 通信领域对m c u 产品的需求增长最快，达到2 3 以上，计算机领域对m c u 产品 的需求增长率达2 0 ，消费领域对m c u 产品的需求增长率达1 7 。虽然国内微 控制器市场已有相当的规模，但在世界微控制器市场中所占比例甚小，本土的微 控制器产业还很薄弱，只在中低档市场尚可一争。从m c u 生产方面来说，国内m c u 产品市场绝大部分由国外生产厂商控制，国内厂商只能从事中低档产品的生产， 且规模偏小。近几年。随着m c u 市场的扩大，进入中国市场的国外大公司很多， 除早已占领相当市场的i n t e l 和m o t o r o l a 外，t e m i c 、l g 、t i 、f u j i t u 、m i e r o c h i p 和s l 【i 公司相继进入。 由于国内集成电路产业长期滞后于整机产业的发展，因此国内企业较少有涉 足生产m c u 产品，即使有些设计公司开发了一些m c u 的产品，也存在品种规格 不全，软硬件开发工具跟不上，可供服务的产品方式少等问题。因此，除个别领 域外( 如一部分智能i c 卡市场) ，国内生产的m c u 产品基本上没有投入批量生 产，也谈不上占有市场份额。2 0 0 2 年在m c u 自主版权和自主知识产权方面获得 了可喜的突破，有望形成m c u 核的开发、m c u 的生产、m c u 的应用及m c u 市 场营销等产品价值链，推动微控制器产业化进程。 随着我国电子信息产业的发展和微控制器应用的日趋广泛，微控制器市场将 迅速地成长起来。2 0 0 5 年市场需求量达到1 8 亿块。我国正逐渐上升为m c u 产品 消费大国。 1 3 选题意义和内容安排 根据w s t s 市场调研公司2 0 0 4 年底公布的数据显示，m c u 产品2 0 0 4 年的销售 额达到1 2 0 亿美元，出货m y 口7 0 亿片，1 光2 0 0 3 年增长了2 7 以上，超过半导体行业 1 8 的年平均增长率。随着微电子技术的飞速发展，m c u 已成为低成本器件，其 应用面更加广泛，已全面渗透到人们的日常生活中。综合i c i n s i g h t 和w s 码市场调 研公司对行业发展的预测，m c u 市场将从2 0 0 4 年的1 2 0 亿美元发展到2 0 0 8 年的1 6 0 亿美元。 第一章绪论 5 中国作为m c u 产品的消费大国，而不是生产大国，产品不具竞争力，尤其缺 乏自主知识产权。对技术依赖性大。m c u 广泛应用于国民经济建设和国防现代化 建设中，广泛应用于各个领域及行业中。m c u 是嵌入式系统的心脏，在军用微电 子技术中，它的先进性决定了武器和国防工程的性能。技术上的依赖制约发展， 无论从国民经济发展还是国防建设出发都必须开发生产具有本国知识产权的 m c u ，才能摆脱被动的局面。“九五”期间国家开始组织m c u 芯片的科技攻关， 其目标是：一是研发具有自主知识产权的m c u 产品；二是实现m c u 产业化。由 于8 位m c u 具有广泛的应用前景，目前对其高速设计的方法仍在不断探索，通常 的改进集中在对微控制器的设计时采用r i s c 结构和设计性能高1 2 l f 3 j 的指令电路。 本文正是基于上述需求，对m c u 核进行全定制设计和研究。基于全定制的设计方 法，对于理解m c u 的内部级的工作机理具有指导意义，对于探索发展自主研制的 m c u 具有方法指导意义。通过低端8 位m c u 的研究对于构建高端，如3 2 位m c u 具有方法论意义。目前，8 位m c u 仍然是市场主流产品，嵌入式应用使其仍然具 有强大的生命力。因此从底端理解m c u ，对于开发其应用具有现实意义。 在本论文中，将详细论述m c u 电路系统的设计过程。内容安排如下： 第一章介绍m c u 的定义、应用、发展和趋势及其研究意义。 第二章介绍m c u 的体系结构和指令体系，并列出了本m c u 系统的指令体系。 第三章介绍数字逻辑电路设计的常见方法和设计中使用到的逻辑门电路。 第四章是本文的重点，介绍m c u 系统的组成，并详细讲述其单元模块的设计： 时序产生器、程序计数器、移位运算单元、各类寄存器，尤其对a l u 和控制器的 设计过程做出阐述。 第五章整合系统电路，做功能仿真，并基于流水线对电路的部分进行修正使 适合流水线工作方式。 第二章m c u 的体系结构 7 第二章m c u 的体系结构 m c u 是单片微型计算机，是一种芯片级的计算机，因此它具有与计算机共通 的体系结构。理解计算机的体系结构是理解m c u 体系的基础。本章将通过介绍计 算机的系统结构和指令体系，分析m c u 的体系结构和指令结构，并给出本设计中 的m c u 指令集。本设计主要是基于硬件电路的实现，因此这里所讨论的体系结构 主要指硬件体系。 2 1 计算机系统结构 计算机系统结构( c o m p u t e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 也称计算机体系结构。目前 的通用计算机，其系统结构一般包括【4 】： 数据表示( 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等) ； 寻址方式( 包括最小寻址单位，寻址方式的种类、表示和地址计算等) ； 寄存器组织( 包括操作数寄存器、变址寄存器及某些专用寄存器的定义、数 量和使用约定) ： 指令系统( 包括机器指令的操作类型和格式、指令问的排序方式和控制机构 等) ： 存贮系统( 包括最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间等) ； 中断机构( 中断的类型、中断分级、中断处理程序的功能和入口地址等) ； 机器工作状态( 如管态、目态等) 的定义和切换； 机器级的狮结构( 包括i o 的联结方式、设备的访问方式、数据的“源”、“目 的圾数据传送量、操作的结束与出错指示等) ； 信息保护( 包括保护方式、硬件对信息保护的支持等) ；等等。 计算机组成( c o m p u t e ro r g a n i z a t i o n ) 指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括 机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器级内各事件的 排序方式与控制机构、各部件的功能以及各部件问的联系。 计算机实现( c o m p u t c rl m p l e m e n t a t i o n ) 贝l j 指的是计算机组成的物理实现，包括 处理机、主存等部件的物理结构、器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底 板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机 装配技术等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起 着主导作用。 下面举几个例子说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现。 8 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 例如，指令系统的确定属计算机系统结构，指令的实现，如取指令、取操作 数、运算、送结果等的具体操作及其排序方式属计算机组成，而实现这些指令功 能的具体电路、器件的设计及装配技术等则属计算机实现。 又如，确定是否要有乘法指令属计算机系统结构，乘法指令是用专门的乘法 嚣实现，还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现属计算机组成，而乘法器、 加法器的物理实现，如器件的选定( 包括器件集成度、类型、数量和使用何种价格 的器件等的确定) 及所用微组装技术等则属计算机实现。 2 2 计算机的指令系统 指令是使计算机完成某种操作的指示或命令，只有在指令的作用下计算机才 能完成对应的功能。指令系统【5 1 是某种c p u 指令的全集。在计算机系统的设计过 程中，指令系统的设计占有十分重要的地位，合理的指令系统对于提高计算机系 统的性能是十分重要的。 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统1 6 j ，指令系统又称指令集 ( i n s t r u c t i o ns c t ) ，是计算机体系结构设计的核心之一。它是计算机软、硬件接口， 也是用机器语言、汇编语言编写程序的用户所能看到的计算机的基本属性。 2 2 1 计算机指令系统的设计技术 指令的功能是使计算机执行操作，这包含两方面含义，其一是使指令要完成 什么样的操作，即指令的功能；其二是指令的操作对象，即指令完成对应功能时 对哪些数据进行操作及数据的存储地址所占据空间的大小1 6 j 。 作为一个指令系统的设计者，要考虑的问题很多。既要考虑指令完成的功能， 也要照顾到指令实现的复杂度、一种好的指令系统应该是能实现的功能齐全、复 杂程度适中的指令系统。但是这二者往往是一对矛盾体，指令系统的设计者要在 二者之间权衡，设计出性能价格比合适的指令系统。实际上，指令系统的设计不 仅仅是考虑其功能和复杂度，在计算机技术高速发展的对代，还要考虑诸如指令 系统的兼容性、用户使用的计算机语言等问题，因此设计者设计指令系统是一个 复杂的过程。 一般来讲，计算机指令系统的设计技术包括以下基本过程： ( 1 ) 根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指令系统设计及实现； ( 2 ) 编出这套指令系统设计的编译程序； ( 3 ) 进行模拟测试，研究这套指令系统的操作码、寻址方式及其他效能； 第二章m c u 的体系结构 9 ( 4 ) 进行指令系统的优化； ( 5 ) 如此反复进行，要充分考虑计算机应用和对各类高级语言执行效率，并 对大量算法进行测试，使计算机达到最高的效能。 指令系统设计过程中的一般规则包括以下内容： 完备性；要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统愈丰富， 功能愈强，编译程序愈好写，运用范围愈广； 规整性、均匀性：要使相似的操作具有相同的规定，所有操作都均匀对称地 在存储器和寄存器单元间进行，尽可能甚至不出现例外情况和特殊用法； 正交性：编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、操作类型都相互独立， 这样便于处理。也减轻编译负担i 可组合性、对称性：指令系统对所有的寻址方式和所有数据类型都能适用， 简化编译程序的代码生成。 从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到以下内容： 兼容性：指令体系设计多次反复，注意简单周到，和系列机软件的兼容性； 可扩性：指令系统设计时，对指令的编码要保持一定余量的操作码空间，为 以后扩展用，并适应工艺技术的新发展； 指令码高密度性：对于那些频度高的指令串可以进行优化，设计新的指令替 代，提高指令码密度，减少存储容量和访问存储器次数，提高效率。 2 2 2 指令系统的两个发展方向c i s c 和r i s c 在指令系统的设计过程中，有着两个截然相反的方向。一个目的是要使机器 的指令系统功能强大，包括设置一些复杂的指令，把可以用软件实现的功能改用 由硬件的指令系统实现，这种计算机系统统称为复杂指令系统计算机( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , c i s c ) 。另外一个是在2 0 世纪8 0 年代发展起来的，其目 的是要简化指令系统，这种指令系统的设计目的是要使计算机的指令功能尽可能 简化，指令系统中只包含那些功能简单，能在一个机器节拍内执行完成的指令， 对于复杂的功能可用一段子程序来实现。使用这种指令系统的计算机系统统称为 精简指令系统计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , r i s c ) 。后者现在已经是 当前计算机的主流架构，例如在此之上发展起来的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 处理系统。 从计算机出现之初，特别是1 9 6 4 年i b m 3 6 0 系列计算机推出之后，计算机系 统的设计者一直在改迸计算机的结构，不断增强指令系统的功能指令系统的优 化也向着面向目标程序、面向高级语言和编译程序、面向操作系统的优化实现等 l o 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 方面来增强指令的功能。到2 0 世纪7 0 年代，许多典型计算机的指令系统已经十 分庞大，指令的功能相当复杂。表2 1 列出了当时四种典型c 1 s c 计算机的结构特 点。 表2 1 四种典型c i s c 处理机的结构特点 机型i b m 3 7 0 1 6 8、能x 一1 1 d o r a d o 讷p x ( 生产年代)( 1 9 7 3 年)( 1 9 7 8 年) ( 1 9 7 8 年) ( 1 9 8 2 年) 指令种类2 0 b3 0 32 7 02 2 2 微程序容量4 2 0 x b4 8 0 k b1 3 6 k b6 4 k b 指令长度1 6 4 81 6 4 5 68 2 46 3 2 1 采用的工艺e c l m s it r l m s le c l m s in m d sv l s i 存储器存储器存储器一存储器面向堆栈 指令操作类型存储器寄存器存储器一寄存器 面向堆栈存储嚣一存储器 寄存器寄存器寄存器一寄存器 c a c h e 容量6 4 k b6 4 k b6 4 k bo 从表2 1 中可以看出，当时的计算机结构已经很复杂。指令种类很多，寻址方 式复杂，有大量的访问主存储器的指令，许多复杂指令的实现不得不借助于微程 序，从而造成微程序容量大幅增加。 事实上，复杂指令系统计算机由于使用的指令要尽可能全，硬件实现复杂， 从而造成硬件执行速度降低，同时带来编译程序的冗长复杂。而由于指令系统设 计复杂，部分指令虽然功能强大，但是使用频率却极低，从而导致这些指令的使 用效率低下c i s c 指令系统主要存在以下几个方面的问题。 1 ) 效率问题 c i s c 中，各种指令的使用频率相差很悬殊，大量的统计数字表明，大约有2 0 的指令使用频率比较高，占据了8 0 的处理器时问。即有8 0 的指令只在2 0 的 处理器运行时间内才被用到。 2 ) 实现问题 对于复杂指令系统计算机，由于其主要目的是要增强指令系统的功能，从而 在设计阶段除了进行基本的指令设计之外，还致力于开发和设计一些功能复杂的 指令，以加强计算机系统在执行这类指令的数据处理能力。对于这些完成强大功 能的指令，其硬件代价会相应增加，设计复杂程度也同样会增加。 3 ) 软硬件界面问题 c 1 s c 用微代码实现，需要2 或3 个时钟周期的执行时间，有多种寻址方式， 多种指令长度和为数不多的通用寄存器。 鉴于c i s c 指令系统的实现变得愈趋困难，r i s c 的概念被提出来用于解决这 第二章m c u 的体系结构 1 1 一问题。通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂程度，提高 指令执行速度，使指令简单，有效可行，这就是r i s c 技术。可以讲，r i s c 指令 系统是c i s c 指令系统的改进，它具有如下特刺7 l ： 1 ) 采用l o a d s t o r e 结构，指令系统种只有l o a d 和s t o r e 两种访问存 储器的指令，其他指令都不能访存，以便实现l o a d 和s t o r e 指令之外的所有指 令都能在单周期内完成，这些指令所需要的操作数都来自通用寄存器，运算结果 也暂存于通用寄存器。只有l o a d 和s t o r e 能将数据在通用寄存器和存储器之间 传送； 2 ) 采用硬布线控制逻辑，使大多数指令在单周期内完成； 3 ) 减少指令和寻址方式的种类，从面可以筋化控制部件的结构，加快指令的 执行速度； 4 ) 采用固定的指令格式，不仅可以使指令的译码电路简化，而且便于采用流 水线技术提高程序的执行速度； 5 ) 注重编译程序的优化设计。 表2 2 描述了典型r i s c 指令系统的基本特征。 表2 2 典型r i s c 指令系统的基本特征 型号 指令数 寻址方式指令格式通用寄存器数主频姗z r i s c l3 1227 88 r i s c n 3 9 221 3 8 1 2 m i p s5 5341 64 s p a r c 7 5 431 2 0 1 3 62 5 3 3 m m s r 3 0 0 09 13 3 3 2 2 5 t 8 6 0 6 5 3 4 3 2 3 0 2 2 3 指令格式 一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。指令的 基本格式如下【j 】： i 操作码字段 i 地址码字段 l 其中操作码指明指令的操作性质及功能；地址码刚给出操作对象的地址，也 就是操作数的地址。 指令系统中的每一条指令都有一个操作码，它表示该指令应进行什么性质的 操作，不同的指令用操作码字段中不同的二进制编码表示组成操作码字段的位 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 数一般取决于计算机指令系统的规模。 操作数地址字段如果表示的是操作数的直接地址，显然这个字段愈长，其地 址的范围就愈大，简单地说，操作数地址字段的位数决定了内存的规模。如果操 作数地址字段包含有寻址方式信息，该字段愈长可提供不同的寻址方式愈多，带 给程序设计者的选择愈多。但指令愈长占用内部程序存储器的空问就愈大。 指令地址码字段需要包含：( 1 ) 操作数的源地址，用以指明操作数的来源， 不同的指令所需的源操作数可能不同，最多有两源操作数地址；( 2 ) 操作数的目 的地址，用于运算结果的存放。指令格式按照地址码部分的地址个数可分为以下 几种： ( 1 ) 三地址指令格式 指令格式为： o p 表示操作码，a 1 、a 2 ，a 3 分别表示操作数1 的地址和操作数2 的地址以 及结果存放地址，a 1 、a 2 、a 3 可以是主存单元地址或寄存器地址。该指令的意义 是将以a 1 、a 2 为地址的两个操作数进行由o p 所指定的操作，并将操作的结果作 为a 3 的内容。 ( 2 ) 二地址指令格式 指令格式为： 即把以a 1 、a 2 为地址的两个操作数进行o p 所指定的操作，操作结果存入 a 1 中替代原来的内容。因此，常称a 1 为目的操作数地址，称a 2 为源操作数地址。 例如：a d da 【0 0 川；a 中的内容与主存地址为0 0 h 的内容进行a d d 运算，并把 运算结果送入a 中。 ( 3 ) 单地址指令格式 指令格式为； 指令中只给出一个操作数地址a 1 。对于需要两个操作数的指令，另一个操作 数地址采用“隐含方式”。也就是说指令操作码字段并没有给出地址，实际操作时由 硬件控制决定其是否参与运算，其目的是为了减少指令字长度。这个隐含的操作 单元隐式的作为操作对象，也可以作为中间寄存器存放运算结果，称为累加器 a c c 。一个操作数由地址码a 1 给出 虹 迎 图3 3 ( a ) 各类基本门的符号图 图3 3 ( b ) 各类基本门的晶体管电路图 表3 3 为本设计中使用的基本逻辑门电路及其尺寸和延迟时间特性。 第三章数字电路的逻辑设计与系统单元电路的实现 表3 3 基本门电路尺寸和延迟时间特性 l = 0 5 p r o( 单位：i n ) w p w n ( ，p m ) t rt f t p rt p ft p l u v e r t5 ：25 3 74 1 72 7 83 8 63 3 2 n a n d 25 ：86 4 26 4 23 7 24 6 84 2 5 ：6 细d 59 16 0 9 3 3 5 4 8 14 1 8 n a n d 3 5 ：1 6 7 1 1 1 0 4 26 8 95 5 5 5 ：8 1 2 1 6 9 r i d 5 7 89 0 83 2 27 0 35 1 3 5 ：81 6 2 4 9 r i d5 8 27 5 53 2 27 3 85 3 n a n d 45 ：2 0 7 01 3 24 0 1 2 9 03 4 9 5 ：1 0 1 52 0 2 5 9 n d5 7 11 0 1 53 1 53 6 5 3 4 n o r 21 0 ：41 5 0 41 2 0 36 57 0 26 7 6 v d d l 5 7 ：41 1 61 1 76 2 85 9 86 1 3 n o r 33 0 ：8 2 7 6 2 7 78 5 6 1 2 7 4 1 0 6 5 n o r 44 0 ：1 25 1 62 5 81 2 5 71 1 1 91 1 8 9 5 0 ：1 24 9 9 53 1 01 1 11 5 4 21 3 2 ，6 注：标有g n d ，v d d 字样的宽长比尺寸，表示该组是串联的晶体管，按照离g n d ， v d d 的远近排列，离的近的尺寸大，渐远尺寸变小；对偶并联的尺寸是同一尺寸。 通过对上表的分析能够看出，由于p m o s 的跨导系数小，载流子迁移率低， 其时间特性较差，尤其是其响应特性很差，即使在牺牲尺寸的情况下也很难令其 特性达到令人满意的程度，因此使用或非门不是一个很好的选择，本设计中尽可 能的只使用二输入的或t e l 1 。 上表中还列出了对逻辑门采用不同尺寸下的时间特性，从中可以看出一些改 进时间特性的方法，这可以被引用到全定制的设计当中： 对于n m o s 串联管或是p m o s 串联管，令其按照近地( 或近电源) 顺序晶体 管尺寸逐渐减小，因为串联管导通工作时并不是一个一个导通地，而是按照近地 ( 或近电源) 顺序逐渐满足条件开始导通工作，因此最近地( 近电源) 的管子需 要有最大的驱动能力，对电容充、放电时它需要驱动的电容数最多并同时提供后 续管子的驱动能力，越靠近输出的点，管子需要驱动的电容逐渐减少，因此其尺 寸也可以相应的减小一些。这样做的好处是减小串联管需要驱动的电容值，能够 加快响应的时问，而且可以不用浪费尺寸，不过对于传输时问特性的影响较微小。 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 3 4 2 复合逻辑门电路 这类电路能够运算相对强大的功能。能极大地简化电路的设计，有效减少电 路的级数和使用的晶体管数目，例如实现： f = a b + c d式( 3 一1 ) 若使用基本逻辑门电路的话，经化简： 一三i 毫 f = a b + c d a b c d式( 3 - 2 ) 需要使用3 个二输入的与非门和1 个t l ! f - j ，共需要1 4 个晶体管运算级数为 3 级。若采用复合门的话，只需要一个a o i 一2 2 1 1 复合门，晶体管个数为8 个， 运算级数为1 级。以上面使用的复合门为例，此处对文中所使用的复合门命名敛 如下规定： a o i 是门的类型名，称为与或非门。指的是先计算与项a b 和c d ，接下来是 或项a b + c d ，最后以互补形式反相输出；第一条下划线后的数字的个数表示与 项的个数，数字的值表示每个与项的参与运算数的个数，考虑到实现超过两个以 上的m o s 串联会引起时间特性较差，这里都只使用到两个串联或者是并联；第二 条下划线后1 的个数表示或项的个数。因此此处的复合门，先执行两个二输入的 与，将这两个与项进行或后取反输出。 这类门的设计非常灵活，有技巧她使用能够对电路设计的优化起到很重要的 作用，这在后文中介绍超前进位加法器的时候会看到其设计的优势，这里就不赘 述。不过复合门也有其缺点，设计的灵活性导致其组合方式很多，往往需要定制， 因此比较难被加入到库单元当中。只有在运用到全定制设计的时候才会定制这样 的单元，可编程逻辑器件当中一般都不包含这样的单元模块。 与或非门和或与非门是其两种主要的规格形式。例如两输入变量的异或门： 一一= ；= = = = = f = - a o b = a b + a b = a b + a b a b + a + b式( 3 - 3 ) 式( 3 - 3 ) 的第三级运算形式，需要使用一个二输入的或非门和一个a o l 2 - 1 1 门，表示先计算a b 的与，或a 和b 的或非，结果经反向输出f 。传输级数为两 级，使用1 0 个晶体管。当然还有一些更为简单的异或门实现形式f l o l 。所使用的晶 体管数更加少，但是会有一些诸如驱动能力和传输时间特性差的问题，故在文中 没有使用。若不使用复合门，而只使用基本门的话，采用第一级运算形式，需要 五级传输。使用2 2 个晶体管；采用第二级运算形式，需要四级传输，使用2 0 个 晶体管。图3 4 为异或门的符号图和采用复合门形式实现的晶体管级电路： 第三章数字电路的逻辑设计与系统单元电路的实现 3 4 3 传输逻辑门电路 图3 4 异或门的符号图和晶体管电路图 c m o s 传输门由一个n m o s 和一个p m o s 管并联而成，提供给这两个晶体管 的栅电压设置为互补信号，两个晶体管要么同时导通，要么同时关断。信号在传 输门两端能够双向传输。传输门通常用在信号通路的选择上，多用在多路选择器 上，例如二选一的多路选择器，使用两个传输门，分别由控制信息的高低电平互 补选择导通其中的一路。本文中主要是将其放在主从式触发器中使用，因为传输 门作为信号选通需要使用的管子数少，采用纯组合逻辑的方式大约需要其两倍左 右的管子才能实现。但是其缺点是直接由信号驱动输出，对信号输入的驱动强度 要求高，而且传输管两端的等效电容对信号干扰很敏感，容易产生电荷分配的情 况，双向传输的特点使得信息传输容易出现错误的情况。 图3 5 为c m o s 传输门的符号图和晶体管电路图： 图3 5 传输门的符号图和晶体管电路图 基于精简指令8 位微控制器的全定制设计 3 4 4 三态门 三态门不选通的情况下输出端