（微电子学与固体电子学专业论文）遥控器控制芯片的设计研究.pdf

摘要 本课题是对空调遥控器芯片m c u 4 的设计研究。浚芯片借鉴了p i c 系列、 m c s 5 1 系列、k s 系列等众多微控制器的优点，具有高速度、低功耗的特点。该 芯片设计了正常、睡眠、停止三种工作状态，设簧了四套时钟，安排r o m 为 4 k 8 ，r a m 为5 1 2 4 ，同时还设计了强大的外围接口功能，例如：具有电平 触发的中断系统可方便地用于键盘扫描，完整的液晶扫描控制电路可以几乎不需 要什么附加电路就能完成液晶显示。这些都使得该芯片能够很好得完成空调遥控 的功能，同时也能胜任其他家电的控制工作。目前，该芯片已经完成了前端的电 路设计及仿真，后端的布局布线也即将完成，预定于今年六月份采用无锡华晶的 o 6 p - m 单元库流片。 本文是按照我们采用的正向设计的工作流程，对m c u 4 设计研究工作的全面 介绍。首先介绍了该芯片的总体设计，简要地分析了我们所采用的r i s c 技术， 两级流水线结构，双数据总线，组合逻辑控制和参考指令等先进设计思想，同时 也阐述了模块的划分、微控制信号的设计、机器周期的安排和关键路径延迟的处 理等具体问题的实现方法。接着是对具体模块的详细分析，包括指令控制部件、 地址形成部件和液晶扫描控制电路。论文结合总体设计全面地阐述了它们的设计 思想和具体电路，并分析了减少关键路径延迟和芯片面积的策略。最后是门级仿 真的结果和却局稚线的设想。从门级仿真的结果来看，我们的电路设计达到了设 汁的要求；而且，我们所采用的时序驱动的布局布线也能够保证最终的版图符合 设计的耍求。 关键词：微控制器，r i s c 技术，组合逻辑控制，参考指令 a b s t r a c t t h e p r o j e c ti st h e r e s e a r c ho i lt h e d e s i g no f a c o n t r o lc h i pu s e d 讯r e m o t ec o n t r o l 。 t h e c h i ph a v e t h ea d v a n t a g e so f h i g hs p e e da n dl o wp o w e r , u s e dp i c ，m c s 一5 1 ，k s ， n e cs e r i e sm i c r o c o n t r o l l e rf o rr e f e r e n c e w ed e s i g nt h r e ew o r k i n gs t a t e s ：n o r m a l ， s l e e p ，s t o p ，s e tf o u rc l o c k s ，a r r a n g e4 k x 8 r o ma n d5 1 2 x 4r a m ，m a dd e s i g ns t r o n g i n t e r f a c ef u n c t i o n ，f o re x a m p l e ，i n t e r r u p t i n gs y s t e mt h a ti su s e df o rk e y b o a r ds c a n n i n g ， l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc o n t r o lc i r c u i tt h a ti s u s e df o rl c dw i t h o u ta d d i t i o n a lc i r c u i t a l l p r o v i d e t h ec h i pw i t ht h ep o w e ro f a i r - c o n d i t i o n e rr e m o t ec o n t r o la n do t h e rf a m i l y m a c h i n ec o n t r 0 1 n o w , s c h e m a t i cd e s i g na n dl o g i c s i m u l a t i o no ft h e c h i p a r e c o m p l e t e d ，p & ri sa b o u t t ob ec o m p l e t e d ，t h ec h i pw i l lt a p eo u ti nj u n et h i sy e a r , b a s e do no 。6 竹lc e l ll i b r a r y , t h e p a p e r d e s c r i b e st h er e s e a r c ho nt h ed e s i g no fac o n t r o lc h i pu s e di nr e m o t e c o n t r o l 、b a s e do nt o p d o w nd e s i g nm e t h o d ，f i r s t l y , ii n t r o d u c ei n t e g r a ld e s i g no f t h e c h i p ，s i m p l ya n a l y z ea d o p t e dt e c h n i q u e ，s u c ha sr i s ct e c h n i q u e ，t w oc l a s sp i p e l i n e s t r u c t u r e ，d o u b l ed a t ab u s e s ，c o m b i n a t i o nl o g i cc o n t r o l l e ra n dr e f e r e n c ei n s t r u c t i o n ， a n di n t r o d u c et h es o l u t i o no f q u e s t i o n s ，s u c h a st h ed i v i s i o no f m o d u l e s ，t h ed e s i g no f n i c r o c o n t r o ls i g n a l ，t h ea r r a n g e m e n to fm a c h i n ep e r i o da n dt h eh a n d l i n go fk e y r o u t e d e l a y s e c o n d l y , e a c h m o d u l ei s p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e i n s t r u c t i o nc o n t r o lm o d u l e ，a d d r e s sf o r m i n gm o d u l ea n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc o n t r o l c i r c u i t ii n t r o d u c et h e i rd e s i g ni d e a sa n dd e t a i l e dc i r c u i t ，a n da n a l y z et h em e t h o do f d e c r e a s i n gk e yr o u t ed e l a ya n dc h i pa r e a ，b a s e do i li n t e g r a ld e s i g ni d e a s a tl a s t ，i i n t r o d u c et h er e s u l to fl o g i cs i m u l a t i o na n dt h es u p p o s i t i o no fp & a n a l y z e dt h e r e s u l t o f t o g i c s i m u l a t i o n 。o u rc i r c u i t d e s i g n f i t d e s i g n d e m a n d ，t i m i n g - d r i v e p r u s e db yu se n a b l eo u rl a y o u td e s i g nt of i td e s i g nd e m a n d 。 k e yw o r d ：m i c r o c o n t r o t l e r , r i s ct e c h n i q u e ，c o m b i n a t i o nl o g i cc o n t r o l l e r , r e f e r e n c e i n s t r u c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘茎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丐臻_ 签字日期： 矽，) 年2 月哕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、罗泰1 导师签名 碳萝力 签字n 期：口) 年月硝日 签字同期：口z 年z 月s i n 第一章概述 1 1 集成电路的发展 第一章概述 自本世纪初真空电子管发明后，电子器件至今已经历了五代的发展过程。而 集成电路( i c ) 的诞生，才使电子技术出现了划时代的革命，它是现代电子技术 和计算机发展的基础，也是微电子技术发展的标志。 回顾集成电路的发展，早在晶体管兴起不久的1 9 5 2 年，英国科学家达默就 提出了电路集成化的设想。1 9 5 8 年，美国德克萨斯仪器公司( t i ) 的工程师基 尔比制成了世界上第一块集成电路。同年，另一家美国著名的仙童电子公司的赫 尔尼等人所发明的“平面工艺”被移用到集成电路的制作中，使集成电路很快从 实验室研制试验阶段转入工业生产阶段。1 9 5 9 年，美国德克萨斯仪器公司又首 先宣布建成世界上第一条集成电路生产线。1 9 6 2 年，世界上出现了第一块集成 电路正式商品。不久，世界范围内掀起了集成电路的研制热潮。时至今日，集成 电路的研制仍然方兴未艾，许多国家和地区都在不遗余力地发展自己的集成电路 产业”。 就电路规模来说，早期的典型硅芯片为1 2 5 毫米见方。6 0 年代初，国际上 出现的集成电路产品，每个硅片上的元件数在1 0 0 个左右；1 9 6 7 年已达到1 0 0 0 个晶体管，这标志着大规模集成阶段的开始；到1 9 7 6 年，发展到一个芯片上可 集成1 万多个晶体管；进入8 0 年代以来，一块硅片上有几万个晶体管的大规模 集成电路已经很普遍了，并且正在超大规模集成电路发展。如今，在不到5 0 平 方毫米的硅芯片上集成的晶体管数激增到2 0 0 万只以上。 就产业规模来说，世界集成电路市场在2 0 0 0 年大幅增长，全年市场销售总 额为1 7 1 0 亿美元，比1 9 9 9 年增长3 3 。进入2 0 0 1 年，受世界经济增k 放缓的 影响，市场出现严重衰退，2 0 0 2 年市场有所恢复增长。2 0 0 5 年，世界集成电路 市场的销售额预计为2 7 0 0 亿美元。 我国的集成电路市场需求近年来也一直保持了高速的增长。2 0 0 0 年的市场销 售额达到了9 7 5 亿元，预计“十五”期间，我国的集成电路市场仍将保持年均 3 0 以上的增长速度，到2 0 0 5 年，市场需求总规模预计将达2 9 0 0 亿元，成为世 界主要集成电路市场之一。根据对国内计算机、通信、数字音视频、信息化工程 等重点电子整机应用领域使用集成电路数量及品种分析，存储器、数字信号处理 器、微处理器、微控制器、数字解压缩电路、混合信号电路、射频电路和i c 昔 芯片等儿类重t i 集成电路将成为“十五”期| n j 大力发展的热点产品。 筹一辇概述 1 2 徽控制茁蚤技术 当前，随稽计算机的发展形成了溯大分支：一是不断推出高性能哟通用微型 计算祝系统，以莛超，j 、鍪诗算梳穗至中墅诗冀襁蕊功貔；另一分支就鼹蕊囱穗镧 戆徽控裁嚣( m c u ，m i e r o c o n t r o t l e rt 赫t ) 。搬控露l 嚣涎发袋起源予激入式象统 鲍殍淡，早期畿久式系统是逶麓诗算辘经菠装质酝入到对象簿系中豹寄耱瞧予系 统，如舰船的自动驾驶仪，轮机j i 茳测系统等。嵌入式系统首先怒一个计算机系统， 其次它渡灏入鞠霹象俸系中，巍对象俸系中囊蕊对慕要求的数蘩采集、照壤、状 态显示、输出控制等功能。由予嵌入糕对象体系中，嵌入式系统的计辕枫已经没 鸯了诗冀瓿熬猿立澎蕊爱翡裁。爨亲裁窭瑗了按焱入式应爱菠零要求设谤鹣计簿 祝蕈蕊笄集成，称凳肇片枕( s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 。随后，单展孝凡为满足 嵌入式态麓簧求不瑟掰强其撩铡凌能与辩圈镶露功麓，笼箕楚突墨。r 菠功簸， 因此阑际上己将单片机正名为微控制器“。 残在懿辙菠裁器将c p u 秘癸豳芯片，魏r o m ( 嚣p r o m ) 、r a m 、势行釉睾 亍0 嚣、您# 专，诗数器、中鞭狡割嚣及其穗控铡裁 警鬃袋在一个芯靖之中，一 些高撼擞菠制瓣还包攥了a i d 、d a 转换器、通蕊控镬嚣、d m a 控制嚣警。微 控制器集计算机技术和接口技术于一麝，对一些较简单的应用场合，它本身就可 魅 量；对予些较复杂的应鲻臻含，也缀蜜鬟逶造系绫扩展与琵霉寒瀵足要求。 因此，微控制器在数据采集和她理系统、自动检测系统、智能仪器仪寝、家用电 器暖及工监羧剑系统蒋褥裂了广泛静疲熙。强辩，奁擞接裁嚣魏设诗秘生产方嚣 又不鼗提蠢麟粒设诗愆悲积耨熬生产工艺，铡魏：穗简捂令鬃缡擒、濂承线结褥、 哙镤缀褪、一次可绫糕援拳等。歪是凌于这些实际瘦煺魏刺激葶噩大援搂熊黢电路 技术的飞跃笈展，各种型号的徽控制器犹如雨后春黔，相继问世，世界上些著 名的器件公司始毡t 公司、m o t o r o l a 公司，z i l o g 公蠲、m i c r o c h i p 公司答粼宠 稆攒蹴了囊避静微羟铡器芯片“。 1 ，3 集成电路的设计方法“1 i c 设计熄将系统、逻辑与继能韵设计要求转化为熟体的物理版图的过程，也 是一个把产熬从撞象熬过程步“4 步鼷锌纯，囊至最终镌理实现的过援。为了宽 成遮过程，久弱疆究凄了麓次诧黟结稳亿瓣设诗方滚：爱次 乏兹设诗方法裁使 复杂的系统麓化，并熊在不丽滟设计鼹次及时发现键误并加以纠正；结构化的设 诗方法是犯疑杂抽象的系统划分戏一些具有稍对独藏功能的模块，允许多个设计 者时设计，砸且某熄模块的瓷源可以共享。在实际的设计过程中，殴计学往往 2 第一章撅述 是结合采用这两种设计方法。 目前，祭成电路行业主要采用i c 设计公司( f a b l e s s ) 与标准工艺加工线 ( f o u n d r y ) 相结合的方式。设计公司将所设计芯片墩终的物理版图交给f o u n d r y 加工制造，同样，封装测试也委托专业厂家完成，竣后的成品芯片作为l c 设诗 公司豹产菇悉鑫行镑售。这秘方式瓣一疆浚程热滔l 一 瑟示。 到1 1i c 设计流程幽 主要有以下凡个步骤： l 、设计竣入 设计输入一般包括图形与文本输入两种格式。文本输入是采用硬件捕述语 言，常用的有v e r i l o gh d l 和v h d l 两种。目前绝大多数设计人员采用v e r i l o g 浯言，该语言支持多种不同层次的描述。图形输入般应该支持多层次逻辑图输 入，主要应髑在一些专f j 的电路设诗中。 2 、逻瓣耱粪 逻辑仿囊主要针对逻辑门级以上( 主要是r t l 级至6 逻辑门级) 晌逻辑设计， 逻辑仿真器根据v e r i l o gh d l 或v h d l 的文本描述来建0 设计模型，在w 定的激 励输入下观测输出波形，阻验证设计的逻辑f 确性。 第一章概述 3 、逻辑综合 ， 逻辑综合是将行为级描述的设计在一定的规约下转化为逻辑结构。这种工作 通常利用e d a 工具强大的计算能力来完成。采用行为级描述可以提高逻辑设计 的层次，减低逻辑设计的复杂度，提高设计效率。 4 、布局布线 因为版图各种寄生参数的影响，为了保证设计的收敛性，一般采用布局工具， 在布线之前对版图参数进行估计和提取，待确定布局布线后，再通过时序分析工 具分析延时和时序关系，对于不满足设计要求的部分进行修改，这往往是一个需 要循环迭代的过程。 1 4 选题的目的和意义 如今，随着集成电路技术和计算机技术的发展，众多公司都推出了自己的微 控制器。在这场激烈的竞争中，我们不仅要研制出具有自主知识产权的微控制器， 还要赋予我们的微控制器强大的市场竞争力。不能否认，我们在进入这场激烈的 微控制器市场竞争时就已经落后了，众多国外公司实力雄厚，已经设计和生产出 了众多的微控制器产品，并占有大量的市场份额；但是，市场的要求是没有止境 的，特别是如今的智能家电市场，对微控制器的要求更是层出不穷，没有哪款微 控制器可以完全垄断市场，这也就为我们设计的微控制器打入市场提供了先决条 例：。 因此，我们的a s i c 设计中心从当今微控制器市场的发展趋势出发，同时兼 顾我们自身的设计能力，选择从低档的四位微控制器m c u 4 开始，主要针对普 通家电的控制，特别是空调遥控器的控制。不仅要保证能与其他微控制器媲美的 高速度和应有的众多功能，还特别注意降低功耗和成本。同时，我们还将r i s c 技术，两级流水线结构，双数据总线，组合逻辑控制和参考指令等先进设计思想 有机地溶入了m c u 4 的设计。这些设计思想的具体实践都是对我们中心未来设 计工作的一个很好的指导。随着设计的深入，我们还将根据具体的应用扩展微控 制器的功能，将总线宽度扩展n i t 位、 六位，发展中档和高档的产品。 4 第一章 总嚣绽司 2 。1 m c u 4 的设计要求 第二鼙总体设计 我们设诗静m c u 4 是一款褒速度、低功耗豹圈位缀控割器。它主要设计了如 下的功能和性能： l 、程序存储器r o m ：4 k 8 位 2 、数据存储器r a m ：5 1 2 4 位 3 、l c d ( 液晶显示) 驱动器 ( 1 ) 蔽狻密：3 2 毒 ( 2 ) 鼹前方式：s t a t i c 、l 2 、1 3 、1 4d u t y 4 、两个8 位定时计数器( 可设置成一个1 6 位定时讨数器使用) 。 5 、一个钟表定时器和看门狗定时器( w d t ) 6 、多系统时钟 ( 1 ) 冀国叛荡霹镑( 1 m h z _ j 瑟3 2 | 疆z ) ( 2 ) 外部主时钟( 4 1 9 m h z ) ( 3 ) 外部子时钟( 3 27 6 8 k h z ) 7 、1 6 个i o 口 8 、中断( 共5 个基本中断) ( 1 ) 添皴发中薮：5 令予审载 ( 2 ) 电平触发中断：4 个子中鼗 ( 3 ) 内部中断：3 个子中断 9 、两路p w m 时钟输出 1 0 、三种工作方式( n o r m a l ，s l e e p ，s t o p ) 2 2m c u 4 的总体设计恶怒 m c u 4 微控制器的电路设计是个系统实现的过程，也就是将m c u 4 微控制 器的设计癸求转化为实际电路的过程。电路设计的成功与否，取决于设计出来的 电爨旋委宠戏嫠设诗夔全部功筑靼达裂疑套弱设计臻撂。 电路设诗可以采用多释方法：静方法霆用硬件描述语言对系统避行行为经 的分层描述，采用先进的e d a 工具进行综合，以得到满足要求的逻辑电路：另 一种方法悬人工对电路进行设计，即电路图输入法。当然，也可以把这两种方法 结合起来，剥系统中的一些模块用硬件描述语言描述，而另一些模块进行人_ i ：设 第一二章总体设计 汁。现在大多情况下是将两种方法结合使用的。 我们进行m c u 4 的电路设计采用的是电路图输入法，这主要基于以下两点原 因：一是作为四位的微控制器，m c u 4 电路规模不是太大，完全可以在较短的时 问内用手工设计出来。二是作为准备大批量投片的芯片，简化逻辑、减小芯片面 积对降低成本的意义是非常巨大的，电路图输入法正好能够实现这一要求。在进 行模块电路设计之前，我们对m c u 4 的系统设计先做一个阐述，包括了所采用 的先进设计思想和需要预先解决的问题。 一、系统模块的划分 为了电路设计的方便，必须将系统按功能进行模块划分，进行层次化的设计 ( 如图2 3 所示) 。和大部分数字系统一样，m c u 4 由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备组成”。 按功能又可将控制器分成五部分：指令控制部件、地址形成部件、时序系统、 微操作控制部件和中断处理部件。指令控制部件包括程序计数器、指令寄存器和 指令译码器。地址形成部件就是指程序存储器r o m 和数据存储器r a m 的地址 彤成电路。时序部件包括时钟形成电路和时序控制电路。为了设计的方便，m c u 4 的微揲作控制部件和指令译码器合并在了一起，统称为指令译码器。 二、总线结构的安排 m c u 4 采用的是哈佛结构，即r o m 和r a m 采用不同的地址线。r o m 地址 线有1 2 位，r a m 地址线有9 位。地址的形成依不同的指令而异，通常要用多路 选择器来形成所需地址。这主要是考虑面向控制的特点。 ( 1 ) r a m 分为两页，由专门的页面寄存器控制页数。不仅降低了功耗，而 目r a m 最大地址位降为8 位，便于指令格式的安排。 ( 2 ) r o m 没有分页的问题，增加了可使用性，程序更容易模块化。 ( 3 ) 寄存器、i o 口和r a m 单元统一编址。这样就不用安排对i o 口操作 的指令。 为了加快数据在通用寄存器之f b j 的传递，m c u 4 采用了双数据总线结构( d 总线和f 总线) 。对于双操作数指令，两个操作数分别从d 总线和f 总线进入 a l u 。这和般的微控制器不同，普通微控制器对双操作数指令的处理是先将一 操作数放入a c c ( 通过d 总线) ，然后将另一操作数也通过d 总线送入a u j ， 同时放到a c c 中的操作数也被送入a l u 。显然，我们采用的双操作数总线能加 快运算的速度。 第一章 总体设计 三、指令系统的设计 采用类似通用八位机p i c l 6 c 6 x ”“的精简指令集( 参见附录) ，只是r a m 的 大小由8 位改成4 位。相比p i c 系列微控制器，我们的通用寄存器除了a 寄存 器，还有w 、x 、y 寄存器，因此，增加了很多与这三个寄存器有关的算术逻辑 指令和条件跳转指令，同时也增加了两条相对跳转指令和短格式的调用指令。即 使和采用复杂指令集的m c s 5 1 系列微控制器相比，我们的指令功能一样很强 大，而指令的执行速度由于系统结构的合理安排一样得到了保证。另外，我们还 设计了r o m 压缩指令( 即参考指令褂弭) ，可出使用者把一个双字节的指令， 或是两个单字节的指令定义成一个单字节指令，如此可有效地压缩程序总长度， 达到节省r o m 空间的目的。寻址方式安排有立即寻址、寄存器寻址、寄存器间 接寻址( 简称l 旬接寻址) 和存储器直接寻址( 简称直接寻址) 四种。由于寄存器 和r a m 单元统一编址，对它们两者地址相重叠的部分，间接寻址得到的是r a m 单元，直接寻址得到的是寄存器。间接寻址中，w 、x 、y 是作为指针参与运算， 它们与r a m 单元和立即数的数据传输和运算，意味着指针可以很灵活的操作， 也就更方便了对数据的操作。 一般的指令格式都是由操作码和地址码两部分组成。操作码主要依据指令的 条数束确定，地址码则主要依据操作数或其存储地址的位数来确定”。在m c u 4 中，r a m 为5 1 2 4 位，r o m 为4 k 8 位，再考虑到操作数的四种寻址方式， r a m 分为两页，寄存器、f o 口和存储器统一编址，以及绝对跳转指令中目的 地址位数和相对跳转指令中的起始地址位数等诸多因素，这样地址码就有2 位、 4 位、5 位、6 位、8 位、9 位、1 1 位、1 6 位等几种情况。综合各种情况考虑， 根据h u f f m a n 压缩法”3 采用的出现概率高的指令用较少的二进制位数表示，出现 概率低的指令用较多的二进制位数表示的原则，同时兼顾功能类似指令编码相近 的原则( 这对以后的译码有很大的好处，大大简化了电路的规模) ，指令编码采 用扩展操作码法。具体指令码见附录。 四、控制器控制方式的选择 m c u 4 采用的足组合逻辑( 硬布线) 控制器，利用逻辑门组合来实现指令的 译码和微控制信号的产生。这是因为我们设计的这款四位微控制器，采用的是精 简指令集，追求的是最高的执行速度及最少的门数，而这f 好是组合逻辑控制器 的优点。如果采用微程序控制的方式，需要引入一个存放微程序的只读存储器， 这一方面必然会增加电路的规模，另方面由于地址形成电路的增加和耿微指令 的延迟，也降低了指令执行的速度。 第一：章总体设计 南、指令周期的安排 分析指令系统可以发现，对数据的操作包括从寄存器、i o 口或者存储器中 读取数据，在a l u 中对数据进行算术逻辑运算，在b u f r e g 中对d 总线数掘 进行暂存和往寄存器、i o 口或者存储器写入数据( 如图2 i 所示) 。经过精心安 排，这些操作可以在一个周期内完成，我们把这样一个周期标准化为一个机器周 期，取指令和执行指令都以这个机器周期为基准。这样就可以采用一个全局时钟 来控制m c u 4 ，保证微控制器的同步性，也简化了设计难度。同时，使得m c u 4 的指令执行的机器周期数和指令码字节数基本相等。只有几条特殊指令，包括 r e f 指令、c a l l 、r t n 、r t i 、b r 、b r l 、t a b 及写p c l 指令等比较特殊，对 它们我们也做了精心的安排。 r a m 或寄存器将数据送到数据总线数据由数据总线送到寄存器或r a m s os 1 t ot l a u j 运算时问寄存器或r a m b u f r e g 传输时问写入时间 图2 - 1 一个机器周期的基本操作 六、流水线结构的设计 - 传统计算机中各条机器指令之间是串行执行的，即按照指令的顺序执行完一 条指令再执行下一条指令。简单的划分，一条指令的执行过程包括取指令、分析 指令和执行指令。按照流水线结构设计的原理“”。，我们安排两级流水线结构， 即取指令为一级，分析指令和执行指令共为一级。这样的安排，使得取指令的过 程在分析和执行上一条指令的过程中就完成了，一条指令的指令周期可以仅由分 析和执行的时f b j 决定。这样的安排同时还产生一个特例，就是在执行相刺绝对 跳转指令和调用返回指令的时候，在指令执行的最后一个机器周期，必须安排 空操作，以实现下一条指令的取指令过程。基本的执行过程如图2 2 所示。 l 刳2 - 2 流水线结构示意幽 仅有一次进位) l a i 指令 第。一：章总体设计 七、系绞嚣镪款安搀 阁为一个机器周期只须四个节拍信号，所以安排机器周期为两倍系统时钟周 期，而一般的微控制器为四倍系统时钟周期。在品振固定为3 2 7 6 8 h z 的状况下， 速度为藩逶搬控裁嚣懿瑟德瑟滚秘鞠羁戆功率。还设计了嚣摹孛系统嚣重镪：囊时镑 可以怒终部鳃x t ( 3 2 7 6 8 董z ，藏怒高速凄懿o s c ( 4 m h z ) ，也可以怒内部的两 速r cf 1 m h z 或3 2 l ( h z ) ；x t 可以一直开着作定时，计数器、看门狗斌液晶扫描 的时钟。而般微控制器只有两种系统时钟，湿然不如m c u 4 使用方便。 八、液晶扫描控制电路的设计 蒋通瓣微控制黎i o 方式分成蹰大类，只褥液最敬或是只商通用c m o s 接口 熬，m c u 4 改进了这些缺点，谴液燕辕塞与警运i o 篷雳户霹较停设鬟憋，滚晶 扫描输出( s e g 或c o m ) 可爱糟为一般的i o 口。不仅如此，还可以让掰者分 时使用。因此液晶扫描脚还可以用作键盘扫描，这样可以减少芯片引脚，降低封 装成本。 九、关键路径的分析“” 农谶行模块设计前，我们还对关键路径做了初步的分析。经过分柝，我们发 鬟菜黧缝合逻辑懿延遮必绥严撩接镧，否鄹会基臻穗痔错误。它翻主要有： l 、在t o 有效期阅必须完成a l u 的运算，这怒微控制嚣最核心的问题，关系 到系统的速度。 2 、在s o 有效、t o 无效期潮，必须完成鬻令鲍译码、r a m 遮缝瓣形戏耱对 r a m 豹寻墟，游数摆送往a l u 豹数据灞，簿待a l u 诗簿。 3 、在一个机器周期内，必颁完成p c 的加1 计数，等待时钟信号到来膨成新 的p c 。 4 、在令瓿嚣蠲赣肉，必须究藏r o m 谶壹壹豹澎戚秘瑟r o m 豹寻缝，将指 令码送往指令寄存器的数据端，等待锁存信号锁存。 9 第二章总体设 图2 3m c u 4 系统结构劁 o 麓= = 三章控制器的设计 第三鼙控制器的设计 3 1 指令控制部件的设计 3 。 豢令骞存器豹设计 m c u 4 的指令长度有单字节、粳字节和三字节的，为了便于统一处理备类指 令的取指令操作，m c u 4 安排了三个8 位的指令寄存器i r a 、i r b 、i r c ( i r b 、 t r c 为锁存撼) 。具体电路如图3 - t 赝示。 竺 峙一一 鹜3 - 1 攒令寄存器电路图 按照流水线结构的设计思想，在无中断请求( 即i r q p n o p = 0 ) 的情况下， 在上一条指令执行的最后一个机器周期( l d p c b = i ，r e n d l n s = i ) ，需睽选通相 应的r o m 单元，将r o m 单元的内褰送至i r a 寄存器的输入端。待到该指令结 交下条攒令开始靖，在对镑熬皴发- i v ，i r a 寄存嚣内褰换戏瑟掺令兹豢令鼹，势 送至| j 纂| 令译褥器中进行译码。壤爨整个系统的箴渗髓，该时钟选择全两时镑t l b 。 如果指令仅为单字节指令，则不需要用到i r b 、i r c 。反之，则可能用到。 这时的控制时钟不再是t l b ，而是t l 。这是因为，双字节指令和三字节指令的操 作码相对单字节指令要长，多半个系统时钟周期译码，能够更可靠的保证时序的 _ f 确牲，惑p c 热 和r o m 寻址孵阂豹减少并不会带慕时孝筑错误。爨体戆况 是：如采拯令为窳字节匏，羽在m c 0 酌t l 将r o m 肇元豁内容送至t r b 。由于 这时已形成新的r o m 地址，因此取出放到1 r b 中的数据为指令的第二字节。这 时没有用列i r c 。如果指令为三字节的，则第三字节在m c l 的t l 从r o m 中被 取出放到1 r c 。 赫 i 啪 o k 第二章控制器的设计 在指令的执行过程中，i r a 、i r b 、i r c 中的内容保持不变，直到遇到新的指 令需要改变它们为止。对i r a ，执行每条指令时都要作相应改变。 比较特殊的是，当执行t a b 指令时，地址为( w x y a ) 的r o m 单元在m c 0 的t l 时刻送到i r b ，它们既不是将要执行，也不是废弃不用，而是等待控制信 号送到a 、p c m b u f 寄存器。 遇到有中断申请的情况( 即i r q d = i ) ，在中断响应的过程中，让i r a 为全0 。 本来中断指令是没有指令码的，之所以让i r a 为全0 ，是为了防止出错。因为虽 然中断指令无字节，但执行它时是仍然要取指令的，如果不安排清0 ，i r a 中仍 保存着上条指令的第一字节，那么译码器继续译码，这时可能会产生一些影响程 序执行的微控制信号。因此在响应中断时，让i r a 寄存器清0 ，则译码器译不出 任何信息，就如同执行空操作指令一样。 另外，指令寄存器中的部分内容可能是操作数地址，它们将送到r a m 地址 形成电路中译出存储单元：也有可能是操作数本身，这时要在微操作信号i t k b 、 i r t b u s 0 、i r l l t b u s 0 、i r l h t b u s 0 等的控制下，将这些数据放到数据总线上供 有关的部件使用。 3 1 2 指令译码器的设计 。、设计思想 我们所设计的指令译码器是将指令译码和微操作控制包含在了一个模块。它 的主要功能是：在指令的执行过程中，将指令寄存器中指令码的操作码译码，再 加入时序信号，以产生一系列的微操作信号来控制各部件动作次序，从而实现一 条指令的执行。 指令译码器主要有两种设计思路：微程序控制和组合逻辑控制。比较这两种 方法，微程序控制是在存放微程序的控制存储器和存放当前正在执行微指令的寄 存器直接控制下实现的，而组合逻辑控制是由逻辑门组合实现的。微程序控制器 的电路比较规整，各条指令控制信号的差别集中在控制存储器的内容上，凼此， 无论是增加或修改指令都只要增加或修改控制存储器内容即可。组合逻辑控制器 的控制信号先用逻辑式列出，经简化后用电路束实现，因此，当需要修改指令或 增加指令时就必须重新设计电路，非常麻烦而且有时甚至无法改变。但是，在同 样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比组合逻辑控制的速度低，因为执行 每条微指令都要从控制存储器中读取，影响了速度；而组合逻辑逻辑主要取决于 电路延迟“1 。 分析m c u 4 ，采用的是类似通用八位机p i c l 6 c 6 x 的精简指令集，同时，指 令的执行速度也是主要的设计要求，因此，最终还是采用了组合逻辑控制方式， 第三章控制器的设计 利用逻辑门组合来实现指令的译码和微控制信号的产生。实践证明，对于我们所 设计的微控制器，组合逻辑控制的实现并不复杂，而且节约了大量的译码时间。 一、指令信号的译码 m c u 4 的指令有8 0 条，如果考虑到指令的寻址方式，则m c u 4 的操作码格 式有1 0 0 多种。如果按照传统的译码方法，则电路的规模太大。因此采用分段译 码的方法，可以大大简化译码电路。所谓分段译码，是指将指令的操作码段( 通 常在前两个字节，分别放在i r a 和i r b ) 每两位分成一组，按照组合的不同情 况形成i s h 0 b 、i s h l b 、i s m m 3 b 等信号，再利用这些信号的不同组合， 形成各条指令的译码信号。例如：l w i 指令的指令码为1 1 0 11 1 0 00 1 1 0 x x x x ，分 段译码的结果是i s h 3 b ，i s m i b ，i s n 3 b ，i s l 0 b ，i s h h l b ，i s m m 2 b 有效，前四 个信号有效使得t w 0 0 b 有效。由于t w 0 0 b 、i s h h l b 、i s m m 2 b 有效，使得l w i 这条信号线有效。这一部分电路很容易实现，只有个别几条指令信号的产生需要 注意。 1 、r e f 指令译码信号的产生，电路如图3 2 所示。 1 2 j 0i n v 图3 - 2r e f 指令的译码电路 因为被参考的指令中，若其指令码为0 1 x xx x x x ，则产生新的意义，因此， 只有符合下列条件的指令，才会产生r e f 信号。 ( 1 ) 指令码第一字节为0 l x xx x x x ； ( 2 ) 本身不是被参考的指令的第一字节； ( 3 ) 在指令执行的第一节拍( m c 0 ) 且无s k i p 标志( s k i p b = i ) 其中第二个条件是指：指令码为0 1 x xx x x x ，若它不是被参考的指令的第一 字节，而是被参考的两条单字节指令中的第二条指令，则仍然产生r e f 信号， 这时继续发生参考动作，即有参考指令r e f 的嵌套。 2 、b r 、b r l 指令译码信号的产生 因为这两条指令在遇到需要被跳过( s k i p 有效) 时，仅仅执行指令的读驭 操作，并不执行，造成了s k i p 有效和无效时，这两条指令的执行节拍数不一致： 所以，设计了t b r 、t b r l 控制这两条指令的实际执行。同时，由于b r 指令的 第二章控制器的设计 指令码为l l l xx x x x ( 1 1 1 00 0 0 0 和1 1 1 11 1 1 1 无意义) ，和绝对跳转指令j m p 的 指令码1 1 1 1 1 1 1 1q q q qq q q qp p p pp p p p 、子程序长调用指令l c a l l 的指令码l l l 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 i lh h h hh h h h 以及r e f d i r 有效时的被参考指令有冲突；所以，设计这 三种指令有效时，b r 无效。 3 、j m p 指令译码信号的产生 由于j m p 指令的指令码为1 11 1 1 11 lq q q qq q q q p p p pp p p p ，和r e f d i r 有效 n , j 的被参考指令有冲突；所以，设计该种指令有效时，j m p 无效。 4 、l c a l l 指令译码信号的产生 由于l c a l l 指令的指令码为l l l 00 0 0 0l l u1 1 1 1h h h hh h h h ，和r e f d i r 有效 时的被参考指令有冲突；所以，设计该种指令有效时，l c a l l 无效。 三、类指令信号的译码 因为某些指令的处理过程比较类似，为了便于微控制信号的设计和电路的简 化，m c u 4 还设计了几个“类指令信号”，包括a l u b 、d i r 2 、d i r 3 、t w 0 0 b 、 t w o l b 、r e f d i r 、r e f i n d 、i u x 、b r x 、c a l l x 、s o c b 、a i k c n o p 。 1 、a l u b 用来统一处理未参考的和被参考的a l u 运算类指令( 如图3 _ 3 所 示) 。由这一信号和其它有关的分段译码信号可以译出各个a l u 运算类指令译码 信号，如由a l u b 和i s n 0 b 、i s l 0 b 就可以译出a d d 信号。 图3 - 3a l u b 的形成电路 这一类指令包括： ( 1 ) r e f e n d = l 的被参考指令，其指令码为1 1 1 xx x x x 。 ( 2 ) r e f d i r = i 的被参考指令，其指令码为0 1 xx x x x 。因为孩类指令的指 令码和r e f 指令类似，区别仅在于前者必须是被参考两字节的第一个字节而后 者是第二个字节。在没有发生参考的嵌套时( 即被参考的两条单字节指令中的第 i 条指令不为r e f 指令) ，也要产生a l u b 信号。 第二章控制器的砹计 ( 3 ) 未参考的指令码为1 0 0 xx x x x 的指令。 可以看出，对被参考的这类a l u 运算类指令，由其低四位决定究竟完成那 一类a l u 运算，这与普通的a l u 类指令相对应，只不过存放运算结果的地方 不同。例如，若低四位为0 0 0 0 ，则执行a d d 运算，将运算的结果放到r a m 单 元中。a l u 执行加法运算时，并不区别这两种加法的不同，存放结果的操作由 微操作信号控制。对其它的指令也做了类似的处理。还有就是未参考的指令码为 1 0 0 xx x x x 的指令，除了包括应有的未参考a l u 运算类指令，还包括了c l m 、 x m a 、k a e m 、r t n 、r t i 等指令。也就是说，后面五条指令有效时一样产生 a l u b 信号。这是为了电路设计的简化，其实这五条指令的译码并不依靠a l u b 信号，而是直接译出。例如：c l m 指令由i s h 2 0 b 、i s n 3 b 、i s l 0 b 直接译出， 与a l u b 无关。 2 、t w 0 0 b 对应第一字节为d c h 的指令，这类指令均为立即数运算指令。 一个操作数为立即数寻址，另一操作数为寄存器寻址。包括k a e i 、k a n e i 、k x e i 、 k x n e i 、k w e i 、k w n e i 、l w i 、l r b i 、o r i 、a n d i 、x o r i 等指令。 3 、t w o l b 对应第一字节为d d h 的指令，这类指令也都是立即数运算指令。 一个操作数为立即数寻址，另一操作数为寄存器间接寻址或者存储器直接寻址。 包括k m e i 、k m n e i 、l m i 、o r m i 、a n d m i 、x o r m i 、a d d m i 、a d c m i 等 指令。 4 、d i r 2 对应二字节直接寻址类指令，其中第二字节为直接寻址码。这一类 指令包括( 如图3 - 4 所示) ： 幽3 4 类指令信号d i r 2 的形成电路 ( 1 ) x m y 、x m x 、x m w 指令。这三条指令都有两个操作数，一个来自通 用寄存器，另一个来自r a m ，但是后者的获得只能直接寻址，不能间接寻址。 ( 2 ) r e f d i r = i 时的被参考指令。这类被参考指令的一个操作数必须是直 接寻址获得，而且地址码是r e f 指令后一个字节。 第二章控制器的设计 ( 3 ) 直接寻址的未参考的和被参考的a l u 运算类指令，和直接寻址的c l m 、 x m a 、k a e m 等指令。也就是直接寻址的a l u b = 0 的指令除去r t i ( 1 0 0 11 1 1 1 ) 指令。 5 、d i r 3 对应三字节直接寻址类指令，其中第三字节为直接寻址码。这一+ 类 指令很少，只有直接寻址的t w 0 1 类指令。 6 、r e f d i r 是被参考且指令码为1 1 l xx x x x 的指令，参考