（微电子学与固体电子学专业论文）面向音频应用的单片机芯片的设计与实现.pdf

摘要 随着微电子技术的发展，多媒体电子产品和人们的生活越来越紧密。单片机 在通信、消费电子、仪器仪表等领域得到了广泛的应用，渗透到人类生活和国民 经济的各个方面。1 6 位单片机由于其低成本、高效能而逐渐占据着相当重要的 位置。本人在参与设计具有完全自主知识产权的1 6 位单片机的过程中，负责了 其中的预取模块、b i s t 模块、a c 9 7 音频控制模块、芯片的后端版图的设计。本 论文将详细论述如下的内容： ( 1 ) 预取模块的设计。随着单片机频率的不断提高，单位时间内微处理器 访问程序存储器的频率不断增加。然而，与微处理器性能提高的速度相比， f l a s h 的工作频率提高的速度相当缓慢。f l a s h 的较长延时和较低带宽已经成 为制约单片机性能提高的主要因素，因此，对指令的读取进行性能优化方面的研 究是非常有意义的。如何为微处理器的执行提供充足和连续的指令流，成为提高 单片机性能的关键。论文剖析了单片机性能无法提高的瓶颈所在，并在设计中进 行了改进，采用指令预取方式进行指令读取，从而在系统层面提高其整体的性能。 ( 2 ) b i s t 模块的设计。本文首先介绍了电路测试的相关知识和可测性设计 中的内建自测试的原理、架构和测试方法分类等等。在此基础上，根据s r a m 的结构特点，采用了b i s t 的可测性设计方案，减少了测试的成本。本文设计的 b i s t 算法完全兼容m a r c hc ，并进行了扩展，简化了测试过程，覆盖了s r a m 中常见的故障。 ( 3 ) a c 9 7 音频控制模块的设计。a c 9 7 标准作为现今最流行的音源结构标 准，应用范围覆盖整个语音领域。现今a c 9 7 已广泛应用于p c 市场。本文自主 开发了a c 9 7 音频控制模块，实现了a c l i n k 接口，提供完整的设计方案。 ( 4 ) 后端版图的设计。本人完成了此单片机芯片的后端版图设计工作，使 用s y n o p s y s 公司的a s t r o 进行布局布线设计，s t a r r c x t 进行寄生参数提取，最 后使用m e n t o r 公司的c a l i b r e 进行物理验证。该芯片已采用和舰科技0 18 t t m c m o s 工艺流片。 关键词：单片机，预取，b i s t ，a c 9 7 ，后端 v a bs t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h em u l t i m e d i a e l e c t r o n i cp r o d u c t sr e l a t em o r ea n dm o r et i g h t l yw i t hp e o p l e s l i f e s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ( s c m ) h a sw i d e l yb e e nu s e d i nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n , e l e c t r o n i c p r o d u c t s f o r d a i l yl i f e ，i n s t r u m e n t s a n ds oo i l16b i t s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e rh a sb e c o m et oh o l do nt h ei m p o r t a n tp l a c e ，b e c a u s eo fi t sl o wp r i c e a n dh i g l lp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l ed e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ep fm o d u l e ，b i s t m o d u l e ，a c 9 7d i g i t a lc o n t r o l l e rm o d u l ea n dt h eb a c k e n do fa16 - b i ts i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e rw i t hf u l l yi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h em a i nw o r k sc a nb e s u m m a r i z e d 嬲f o h o w s ： ( 1 ) t h ed e s i g no fp r e f e t c hm o d u l e w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h es c m s o p e r a t i n gf r e q u e n c y , t h es c m sm e m o r ya c c e s so p e r a t i o n se x p a n dg r e a t l ya n db r i n g g r e a tp r e s s u r et ot h es y s t e m h o w e v e r , c o n t r a s tt ot h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to f s c m ，t h ep e r f o r m a n c eo ff l a s hm e m o r yi m p r o v e sv e r ys l o w l y , t h a tc a u s e st h e l a t e n c yo f f l a s h m e m o r ya c c e s sb e c o m e st h em a j o rb o t t l e n e c ko ft h ep e r f o r m a n c e f o rt h es c m i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m , i ti se s s e n t i a lt o o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ff e t c h i n gi n s t r u c t i o n s ob o wt op r o v i d ee n o u g ha n d c o n t i n u o u si n s t r u c t i o ns t r e a mb e c o m e st h ek e yt oi n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs c m t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h eb o t t l e n e c kw h ys c m sp e r f o r m a n c ec a n te n h a n c e ，a n d i m p r o v e st h e s ei nt h ed e s i g nb yu s i n gp r e - f e t c h i n gi n s t r u c t i o nm e t h o d ( 2 ) t h ed e s i g no fb i s t i nt h i sa r t i c l e ，w ef i r s ti n t r o d u c et h et e c h n o l o g yo ft e s t a n dt h ep r i n c i p l eo fb u i l t - i ns e l f - t e s t ( b i s t ) o f d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ( d f t ) w ea l s o d i s c u s st h es t r u c t u r eo fb i s t , t h ec l a s so ft e s tm e t h o da n ds oo i lb a s e do nt h e s ea n d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs r a m ，t h ea r t i c l ea n a l y z e sa n dd e s i g n st h es r a m b i s tw h i c hr e d u c e st h et e s tc o n s u m i n g t h ed e s i g n e dc i r c u i to fb i s tt o t a l l y c o m p l i a n tw i t hm a r c hc - i se x t e n d e dt os i m p l i f yt h ep r o c e s so ft e s t i n g a n di tc o v e r s m o s tf a u l t so c c u r r e di nt h es r a m ( 3 ) t h ed e s i g no fa c 9 7d i g i _ t a lc o n t r o l l e r a c 9 7h a sb e e nt h em o s tp o p u l a rs o u n d v i s o u r c es t r u c t u r a ls t a n d a r d ，w h i c hc o v e r sw i t ht h ew h o l es o u n da p p l i c a t i o na r e a i th a s b e e no c c u p i e dt h ep cm a r k e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do fd e s i g n i n ga l la c 9 7 d i g i t a lc o n t r o l l e r , a n di m p l e m e n t st h ea c l i n ki n t e r f a c e ( 4 ) t h ed e s i g no fb a c k e n d if i n i s h e dt h eb a c k e n dw o r ko ft h i sc h i p t h i sp r o j e c t u s e sa0 18 1 t mp r o c e s sf l o w , a n da s t r oo fs y n o p s y si su s e dt od op l a c ea n dr o u t e ， s t a r r c x tt od op a r a s i t i ce x t r a c t ，t h e nc a l i b r eo fm e n t o ri su s e dt od op h y s i c a l v e r i f i c a t i o n a l lo ft h e s ei s s u e sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri nb r i e f a n dt h i sc h i ph a s b e e nt a p e do u tw i t hh j t c0 18 9 mc m o sp r o c e s s k e yw o r d s ：s c m ，p r e - f e t c h , b i s t , a c 9 7 ，b a c k e n d v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄 日期：洳锋6 月争e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：艨勇 日期：溯字年月夕1 3 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成 果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在 学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：鹚j k 劳 日期：加每6 月争习 i v 第一章引言 1 1 课题的背景及实际意义 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展：巨型化、单片化和网络化。单 片机就是其中一个重要的发展方向。单片机是微型机的一个主要分支，最大特点 是把m c u 、存储器、定时器以及各种输入输出接口电路集成在一块超大规模集 成电路芯片上。从上世纪7 0 年代第一块单片机诞生到现在，已经发展了三十余 年【l 】。单片机的诞生是现代计算机技术的一次飞跃，以单片机为核心的嵌入式系 统迅速应用到人类社会的各个领域，为全球信息化和电子化作出了巨大贡献。 经过多年的发展，单片机的应用已经深入到各个不同的领域。8 位单片机集 中在低速、简单的控制系统，特别是开关量的控制，系统开销小，外围配套简单， 功耗低，体积i x ；3 2 位单片机具有强大的数据处理能力，往往是配合操作系统 运行复杂的应用软件，甚至是多个应用软件，但系统开销大，外围配套复杂，功 耗高，体积大；而1 6 位单片机则介于两者之间，以较低的成本和系统开销提供 了比8 位机更强大的功能。 近年来，随着我国国力的增强，科技水平的进步，国内集成电路设计行业也 逐渐发展壮大起来，各种自主开发的芯片纷纷推出，既填补了国内空白，也满足 了国内市场的巨大需求，打破了国外公司独占市场的局面。在此背景下，d c l 6 单片机应运而生。 d c l 6 是一款基于音频应用的1 6 位单片机，适用于通信、音频编解码和信号 处理等领域，可应用在l p 电话机、复读机、电子琴，以及其它嵌入式电子产品 和计算机系统等产品之上【2 】。 1 2 课题的主要内容及研究思路 本人参与了d c l 6 单片机芯片的研究和设计，在项目研发小组中本人分配的 主要任务包括m c u 的预取模块、s r a m 的b i s t 模块、a c 9 7 音频控制模块、 芯片的后端版图和f p g a 硬件验证电路等的设计工作。 设计方法上，我们采用了自顶向下( t o p - d o w n ) 的设计思路。这种高层次设计 方法从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在功能级进行 仿真、纠错、并用硬件描述语言v e r i l o gh d l 对高层次的系统行为进行描述，然 后用综合工具将设计转化为具体门电路网表，其对应的物理实现使用了流行的标 准单元法。同时由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有 利于早期发现结构设计上的错误，避免重复工作造成的浪费，而且也减少了逻辑 功能仿真的工作量，提高了设计成功率。自顶向下的设计必须经过“设计验证 修改设计一再验证 的重复过程，直到设计结果能够完全实现所要求的逻辑功能， 并且在速度、功耗、价格和可靠性方面实现较为合理的平衡为止。 对任何一款芯片来说，版图设计都承载着从理论设计到物理实现的重要一 环，是从电子线路到硅片上产生电路的实际过程。就整个芯片本身而言，一寸面 积一寸金，任何设计都希望以最小的面积得到芯片的最佳性能。如何通过对不同 方案的比较，以最合理的布局结构设计出具有最佳理想性能的芯片，其重要性不 言而喻，这也正是本人的工作所要解决的问题关键所在。 1 3 本论文的章节安排 按照本人的设计及研究内容划分，本论文一共分为八个章节论述： 第一章引言，介绍了本论文研究课题的来源及论文研究的内容，研究方法和 章节安排。 第二章介绍了d c l 6 单片机芯片的结构特点以及具有自主知识产权的汇编指 令系统。 第三章介绍了预取模块的设计，先分析单片机芯片的瓶颈，然后提出预取指 令的方案，最后通过仿真验证了模块对系统性能提升的效果。 第四章介绍b i s t 模块的设计。通过分析可测性设计的原理、架构和分类， 根据s r a m 的结构特点，选择了b i s t 的可测性设计方案，实现扩展的m a r c hc 算法，覆盖了s r a m 中常见的故障。 第五章介绍a c 9 7 音频控制模块的设计。a c 9 7 标准是现今最流行的音源结 2 构标准，本文自主开发了a c 9 7 音频控制模块，实现了a c l i n k 接口，提供完 整的设计方案。 第六章介绍本芯片后端版图的设计。本人完成了此单片机芯片的后端版图设 计工作，使用s y n o p s y s 公司的a s t r o 进行布局布线设计，一共在和舰科技流片三 次，并成功通过了测试。 第七章介绍了f p g a 硬件验证系统的设计。本人负责设计a c 9 7 音频控制模 块的f p g a 硬件验证电路以及整个芯片的f p g a 验证子板，所有模块都通过了 f p g a 的验证，为最后流片的成功打下了坚实的基础。 第八章结语，总结了本论文的工作，并对论文的不足之处提出了改进的方案。 3 第二章d c l6 芯片简介2 1 d c l 6 是广州市鸿芯微电子有限公司自主设计研发的，具有完全知识产权的 一款1 6 位双核型单片机。d c l 6 包含两个微处理器核心模块：负责数据输入输 出控制的微控制器m c u ；负责高密度数字信号处理运算的数字信号处理器d s p 。 m c u 和d s p 并行协调工作。 除此之外，d c l 6 还集成了g p i o 、u s c 、a d c 、t c a 等外围模块。它们均 在m c u 和d s p 之外独立、并行、协调地工作，如图2 1 所示。d c l 6 的设计理 念是提高各模块的并行操作效率，实现数据分享和交换，扩大数据吞吐能力。 2 1d c l 6 的结构 2 1 1c r s 模块 图2 1d c l 6 结构图 c r s ( c o r e sr e l a t i o n s h i ps y s t e m ) 是d c l 6 的双核联系模块。d c l 6 单片机里 面的m c u 和d s p 是相互独立并行工作的，拥有各自的程序空间和数据空间。双 核通过c r s 模块产生联系。m c u 和d s p 之间通过c r s 相互发出中断请求，实 现协同工作。通过写c r s 内部控制寄存器，m c u 可以实现向d s p 发出中断请 求；反过来，d s p 也可以用同样的操作方式向m c u 发出中断请求；利用这个机 制，通过双核控制软件的编制，m c u 和d s p 可以很好地协同工作。 4 2 1 2t c a 模块 t c a ( t i m e r c o u n t e ra r r a y ) 是d c16 的定时计数器模块。t c a 内置三个可 编程的1 6 位定时计数器，其中两个支持定时器和计数器两种工作模式，另一个 只支持定时器工作模式。定时器工作模式时，输入脉冲为系统时钟；计数器工作 模式时，输入脉冲为外部输入脉冲( 上升沿有效) 。其中系统定时脉冲可分频， 且分频系数可编程。 2 1 3u s c 模块 u s c ( u n i v e r s a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n ) 是d c l 6 的通用串行通信模块，提供 各种串行通信协议的支持( 目前支持u a r t 和s p i 两种协议，可编程配置) 。 2 1 4g p i o 模块 g p i o ( g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t ) 是d c l 6 的并行多模式接口，它负责 协调d c l 6 与外界的并行通信，可以工作在多种工作模式上。与普通单片机不同， d c l 6 具有自动读或写外部存储器的功能，这时的读写控制信号是由g p i o 发出 的，c p u 不参与控制，这是d c l 6 的特点之一。 2 1 5 a d c 模块 a d c ( a c 9 7d i g i t a lc o n t r o l l e r ) 是d c l 6 的音频控制器模块。a d c 产生符 合a c 9 7 协议的音频控制信号( 如可编程的采样频率、音频通道等) 并处理音频 数据，控制外部a c 9 7c o d e e 芯片进行音频信号输入输出。在其它的单片机中都 能找到类似g p i o 、u s c 和t c a 的功能模块，但a d c 模块则是d c l 6 所独有的 特色，它是一个独立于m c u 之外的a c 9 7 音频控制模块，这也是本芯片应用于 音频领域的基础。第五章将对此模块的设计做详细的介绍。 5 2 1 6i ) c 1 6 的存储器体系 d c l 6 的存储器体系，包含了三类存储器： 第一种是程序存储器，为微处理器核提供程序存储空间。其中m c u 的程序 存储器又可以分为片内程序存储器和片外程序存储器( 最大容量为6 4 k 字) ，可 通过设置p r o me n 引脚进行选择。d s p 的程序存储器为片内程序存储器( 1 6 k 字) 。 第二种是主数据存储器，为微处理器提供数据存储空间。m c u 的数据存储 器又可分为片内数据存储器( 8 k 字) 和片外数据存储器( 通过g p i o 访问，最 大容量为6 4 k 字) 。d s p 只有片内数据存储器( 8 k 字) 。 第三种是交换数据存储器，为片内m c u 和各模块之间提供数据交换空间， 属于片内数据存储器。c r s 、a d c 、g p i o 和u s c 各附带有2 2 k 字的交换数 据存储器。 这些存储器既能被所在的模块访问，也能被m c u 访问。m c u 内部数据存 储器地址空间从8 0 0 0 h 到9 f f f h ，如表2 1 所示，连续的地址空间给利用m c u 进行存储器测试带来了方便，具体内容将在第四章讲述。 表2 - 1m c u 数据地址空间分配 地址空间模块说明 2 0 0 0 h 2 f f f hg p i o g p i o 附带的内部数据存储器地址空间 3 0 0 0 h 3 f f f hu s c u s c 附带的内部数据存储器地址空间 4 0 0 0 h 4 f f f h c i 塔 c r s 附带的内部数据存储器地址空间 5 0 0 0 h 5 f f f ha d c a d c 附带的内部数据存储器地址空间 6 0 0 0 h 7 f f f hd s pd r a m d s p 附带的内部数据存储器地址空间 8 0 0 0 h 9 f f f hm c ud r a mm c u 内部数据存储器映射地址空间 a 0 0 0 h d f f f hd s pp ra m d s p 内部程序存储器映射地址空间 6 2 2d c l 6 汇编语言 2 2 1d c l 6 指令系统 d c l 6 系列单片机指令系统共有9 2 条指令，按照操作性质可以分为数据传 送、算术运算、逻辑运算、程序转移、位操作和系统操作等6 大类别。 2 2 2d c l 6 汇编语言源程序格式 由于本论文的第三章、第四章和第五章均涉及d c l 6 汇编语言程序，以下用 一个简单的d c l 6 汇编程序例子说明d c l 6 汇编语言的格式： 【例】 ；d c l 6 汇编示范程序1 c d a t ae q u # 1 2 3 4 h o r g0 0 0 0 h s t a r t ： l o a dr x o ，c _ d a t a l o a dr x l dd a i a m o v e r x 2 ， r x l a d dr x 0 r x l dd a t a ： d w 0 0 0 8 h e n d ；第1 行 ；第2 行 ；第3 行 ；第4 行 ：第5 行 ：第6 行 ；第7 行 ；第8 行 ；第9 行 ；第1 0 行 ；第1 1 行 从上面的例子可以看到，d c l 6 汇编程序分为几个部分： ( 1 ) 注释部分：注释以分号开头，直到行尾。上面的例子中分号后面都是 注释部分，包括第l 行整行，第2 1 1 行的分号以后的部分。 ( 2 ) 常量定义部分：通过使用e q u 伪指令定义程序所用常量。如上面例子 7 中的第2 行。 ( 3 ) 起始地址指定：通过o r g 伪指令指定接下来代码在程序存储器中存放 的起始地址。如上例中第3 行。 ( 4 ) 程序部分：由汇编语句组成的程序段，如上例中的第5 行到第8 行。 ( 5 ) 标号部分：标号代表程序存储器的地址，在汇编程序中供跳转指令引 用。合法的标号是独立一行，以冒号为结尾的字符串。如上例中第4 行和第9 行 均为标号。 ( 6 ) 数据区部分：通过d w 伪指令定义程序中使用的固定数据。如上例中 的第1 0 行。 ( 7 ) 程序结束指示：通过e n d 伪指令指示程序结束，停止汇编，如上例中 第l l 行。 ( 8 ) 汇编指令：分为操作码和操作数两部分。 操作码：指示汇编指令进行什么操作。 操作数：指示汇编指令执行所需要的数据。操作数可以直接给出指令执行所 需数值地址，也可以给出所需数值地址所在的寄存器地址，取决于其寻址方式。 2 2 3 寻址方式 d c l 6 指令使用了以下几种寻址方式：立即寻址、寄存器寻址、间接寻址、 间接寻址( 程序存储器) 和位寻址。下面分别简单介绍： ( 1 ) 立即寻址 立即寻址方式下，操作数直接跟在操作码后面，一同存放于程序存储器，执 行指令时，可以从程序存储器立即取得。该操作数称为立即数。立即数前用j | f 引 导。 【例】l o a dr x 0 ，# 1 2 3 4 h ，其中的1 2 3 4 h 就是立即数。该指令功能是把立 即数传送到寄存器r x 0 。 ( 2 ) 寄存器寻址 寄存器寻址，也称为寄存器直接寻址。操作数存放在某寄存器中，m c u 通 过访问该寄存器，取得操作数。 8 【例】l o a dr x 0 ，# 1 2 3 4 h ，其中的r x 表示通用寄存器寻址方式，o 表示寄 存器号。 ( 3 ) 间接寻址 间接寻址，也称为寄存器间接寻址。这种寻址方式下，寄存器中存放的内容 不是操作数，而是数据存储器的地址，m c u 执行指令时，需要将该寄存器内容 读出来后，作为数据存储器地址访问数据存储器，取得所需操作数。 【例】l o a d j l x l ，# 1 2 3 4 h ，其中 l 表示寄存器间接寻址方式，1 表示 寄存器号。 ( 4 ) 间接寻址( 程序存储器) 间接寻址( 程序存储器) 类似于寄存器间接寻址，不过这种寻址方式下，寄 存器中存放的内容是程序存储器的地址，m c u 执行指令时，需要将该寄存器内 容读出来后，作为程序存储器地址访问程序存储器，取得所需操作数。 【例】l o a dr x l ，$ i 0 ，其中$ r x 表示寄存器间接寻址( 程序存储器) 方 式。 ( 5 ) 位寻址 d c l 6 中某些寄存器，各位都编制了独立访问地址，这些地址称为位地址。程 序可以使用位操作指令，通过这些位地址访问相应的寄存器位，实现按位操作。 【例】s e t bp s w z ，置零标志位为1 。 2 2 4d c l 6 指令列表 表2 - 2d c l 6 指令列表 序号指令名称字长周期数说明 1a b sr x1l 取绝对值 2 a b s i l ( r c + 1 ) 3 取绝对值 3a d dr x l ，r x 2ll 加法 4a d d sr x l ，r x 211 加法 5a d d r x l ， r x 2 1l 加法 6a d d sr x i ， r x 2l 1 加法 9 7a d dr x m ，m 22加法 8a d d sr x m , m 22 加法 9s u br x m , r x 211减法 1 0s u b sr x m , r x 2 l1减法 1 1s u br x m , r x 2 11 减法 1 2s u b sr x m , r x 21l减法 1 3s u br x m , m 22 减法 1 4s u b sr x m , m22减法 1 5m u lr x m ，r x n ll 乘法 1 6m u l sr x m , r x n11乘法 1 7m u l r x m ， r x n ll 乘法 1 8m u l sr x m , r x n11乘法 1 9m u l r x m ，m 22 乘法 2 0m u l sr x m , m 22 乘法 2 ld i vl 己x mll除法 2 2 d i v sr x mll 除法 2 3 d i v r x m 1 1 除法 2 4 d i v s , r x m ll 除法 2 5d i vm22 除法 2 6d i v sm 22 除法 2 7 l a d d r x m 1 ( r c + 1 ) 2 + 1 长加法 2 8 l a d d s r x m l ( i + 1 ) 2 + 1 长加法 2 9 l s u b r x m , r x n 1 ( r c + 1 ) 3 + 1 长减法 3 0 l s u b s r x m , r x n 1 ( r c + 1 ) 3 + 1 长减法 3 l l m u l r x m , r x n 1 ( i + 1 ) 2 + 1 长乘法 3 2 l m u l s j x m ，r x n l ( r c + 1 ) 2 + 1 长乘法 3 3 l m u l r x m , r x n l ( r c + i ) 4 + i 长乘法 3 4 l m u l s i m ， , m x n 1 ( i + 1 ) 4 + 1 长乘法 3 5c m pr x m , r x n 1l 比较 1 0 3 6c m p sr x m , r x n1 1 比较 3 7c m p r t x m , r x n 1l 比较 3 8c m p s r x m , r x n ll 比较 3 9c m pr x r n , m22 比较 4 0c m p s r x m , m22 比较 4 1a n dr x r n , r x n11 逻辑与 4 2a n d r o c r n , , r o ( i l 11 逻辑与 4 3a n dr x m , m2 2 逻辑与 4 4 o rr x m , r x nll 逻辑或 4 5o r r x m , y , x n 1l 逻辑或 4 6o r r x m , m22逻辑或 4 7x o rr x m , r x n11 逻辑异或 4 8x o r r x m , y , x n ll 逻辑异或 4 9x o rr x r r g m22 逻辑异或 5 0s h l r x m1 r c + l 逻辑左移 5 1s h r & x mlr c + l 逻辑右移 5 2s h l ri 己x mlr c + 1 循环左移 5 3s h r r r x m lr c + l 循环右移 5 4s h r si 之x m1r c + l 算术右移 5 5t e s t r x mll测试 5 6s e t bb i t m12位置l 5 7c l r bb i t ml2位置0 5 8c p l bb i t m12 位取反 5 9c o p yb i t m , b i t n22 位拷贝 6 0a n d bb i t m , b i t n22 位与 6 1o r bb i t r n , b i t n22 位或 6 2x o r bb i t m , b i t n22 位异或 6 3c a l l r x ml5 子程序调用 6 4c a l l m25子程序调用 6 5刖m p r x m11无条件跳转 6 6刖m pm 22无条件跳转 6 7j b sb i t m , r x nl2位条件1 跳转 6 8 j b sb i t m , m 22位条件1 跳转 6 9 j b cb i t m , r x n l 2位条件0 跳转 7 0j b cb i t m , m22位条件0 跳转 7 1d e c j n zr x m , m2 3减1 不为0 跳转 7 2i n c j n zr x m ，m23加1 不为0 跳转 7 3 r e t l 2子程序返回 7 4i 也t i13 中断返回 7 5m o v er x m , r x n11 传送 7 6m o v e r x m , r x n 1 ( r c + 1 ) 2 + 1 传送 7 7 m o v e t l x m ， r x n 1 ( r c + i ) x5 + 1 传送 7 8 m o v e r x m ，r x n 14 传送 7 9l o a dr x m , $ r x nl3 加载 8 0l o a dr x m , m22 加载 8 1 l o a d r x r n , $ r x n 1 ( r c + 1 ) 4 + 2 加载 8 2 l o a d r x m , m 2 ( r c + 1 ) 3 + 1 加载 8 3l o a dg r m , m22 加载 8 4t r a n sg r m , g r n 22 传递 8 5p u s hi 之x m14 压栈 8 6p u s hg r m12 压栈 8 7p o p r x ml2 出栈 8 8p o p g r m12 出栈 8 9 i d l eln 停顿 9 0h a l t l n 暂停 9 1r e s e tll复位 9 2 n o o p l1 空操作 1 2 说明： ( 1 ) 字长单位为字( 1 6 位) 。 ( 2 ) 周期数为指令执行的机器周期数，r c 表示重复寄存器。支持重复执行 的指令，执行周期数取决于r c 内设定的值。如a b s r x 指令的执行周期数为 ( r c + i ) 3 ，当r c = 0 时，其执行周期数为3 ，当r c = 1 0 时，其执行周期数就为 3 3 。 2 3 本章小结 本章对具有完全自主知识产权的d c l 6 单片机芯片做了简单的介绍，分析了 它的基本特性和结构，并概述了内部的t c a 、a d c 、g p i o 、u s c 和c r s 等主 要模块的功能。由于d c l 6 是完全自主的指令系统，它的汇编语言与其他汇编语 言都不兼容，本章也用一些简单的例子对此汇编语言作了简单说明。 第三章预取模块 3 1f l a s h 存储器的特点 本单片机芯片的m c u 程序存储器分为片内程序存储器和片外程序存储器， 可通过设置p r o me n 引脚进行选择。考虑到工艺的成熟以及实际应用的方便， 在第三次流片的单片机芯片中，将原有的s r a m 片内程序存储器改为f l a s h 片 内程序存储器。此f l a s h 使用了苏州和舰科技提供的嵌入式f l a s h 存储器i p 核，它有如下特点【3 1 ： 0 1 8 u m 的工艺 1 8 v 的单电压供电 8 位数据总线 读周期小于4 0 n s 写周期小于3 0 u s 擦除时间需2 0 m s 3 2f l a s h 读操作时序 作为存储器的f l a s h ，断电后仍然保存原有的数据，与断电后丢失数据的 s r a m 相比，其优势是明显的，的确更适合用于存储程序。但同时f l a s h 也有 自身的缺点，相对于s r a m 的快速读写操作，f l a s h 由于其内部结构的限制， 读数据需要经过较长的操作时间，写数据更是需要先擦除才能再写入。作为单片 机的程序存储器，f l a s h 的大部分时间都处于读操作状态，图3 1 所示为此 f l a s h 的读操作时序图【3 l ： 1 4 a d d r a e o e 图3 - 1f l a s h 读操作时序图 表3 1 和表3 2 分别描述了图3 1 中的信号及符号的定义1 3 1 ： 表3 1f l a s h 的部分信号端口定义 端口名方向功能 a d d r 15 ：0 】 i地址输入 d o u t 7 ：0 o 数据输出 a ei 地址有效 o ei 输出有效 表3 2 符号定义及时序要求( 时间单位为i 埘 参数符号 m i i l t y pm a x 地址的建立时间t a s2 地址的保持时间伽 2 地址有效到数据输出的时间 t a c4 0 o e 有效到输出数据的时间 t o e1 0 o e 无效到输出高阻的时间 t h z l3 a e 的脉冲宽度 t a e1 0 两次读操作之间a e 的时间 t a a d5 0 1 5 由图3 1 和表3 2 可知，单独执行一次读操作最少需要4 2 n s ；如果连续读操 作，则每次最少需要5 0 n s 。由于此f l a s h 的数据位宽是8 位，而本芯片的m c u 数据位宽为1 6 位，即m c u 每次读取一个数据均需要进行两次读操作才能完成， 所以对于m c u 而言，每次读操作周期至少是l o o n s ，极大地影响了系统的工作 效率。为了克服这个瓶颈，在本芯片中引入了预期模块，使指令的读取与执行并 行操作。 3 3 预取模块的功能和结构 p f ( p r e f e t c h ，预取) 模块的结构如图3 2 所示，而表3 3 则定义了它的端 口属性。下面简单介绍一下预取模块的工作流程： 1 、复位后，f i f o 为空；f i f o 读指针指向0 ，f i f o 写指针指向0 ；程序存 储器地址指针指向0 【4 。5 1 ； 2 、下一时钟周期，p f 开始从程序存储器地址指针指向的单元开始读指令， 每读一字，程序存储器地址指针自动加l ，写入f i f o ，f i f o 写指针加l ( 判断 边界，自动循环) ，如此反复直到f i f o 满。 3 、当指令数据有效信号p o 输出高电平，pf的指令数据端口rdy m c ud a t a 随时输出当前f i f o 单元的内容给m c u ，以使m c u 可以随时立即取得指令。如 果f i f o 为空，此时指令数据有效信号p o输出低电平。rdy 4 、m c u 在取指时，向p f 发出读信号m c ur d ，同时判断指令数据有效信 号p o 取；如果是低电平，表示f i f o 为空，指令数据端口上的数据无效，m c u 须等 待，直至其变高。 5 、如果m c u 指令发生跳转，则m c u 发出程序存储器地址指针新值设置信 号p i _ s e t ；此时p f 置p o _ r d y 为低，f i f o 被清空，将程序存储器地址指针设置为 新值( p ia d r ) ，然后从新值开始读指令数据，重新开始预取工作。 1 6 图3 2p f 模块结构 表3 - 3p f 模块端口列表 端口方向说明 c l k1 1 1 系统时钟输入 r e s e tm 系统复位信号 m c ur dmm c u 发出的读指令信号 m c u _ a d r 1 5 ：0 】 mm c u 发出的程序存储器地址值 m c u _ d a t a 15 ：0 】 0 u t 输出给m c u 的指令数据 指令数据有效信号输出。0 ：f i f o 为空，p f 不能提 p o r d y o u t 供指令数据；l ：f i f o 有数据，p o _ d a t a 的输出有效。 p i _ s e t 程序存储器地址新值设置信号输入m p f _ a d r 15 ：0 】 o u t p f c 地址信号输出 p 耻a t a 15 ：0 】 p f c 指令数据输入m p fr do u t p f c 读程序存储器信号输出 p f r d y m p f c 指令数据有效信号输入 1 7 3 4 预取模块的仿真结果 田圈墨雹墨墨 1 职巳缸：“：o ： 8 c o a ：e ：5 ：o j 【m n i p o - ，钾 i o “ l n 【拖o 】 p u t a ：l s ： “ 图3 3 地址连续变化的预取模块仿真波形图 图3 3 是地址连续变化时预取模块工作情况的仿真波形图。从图中可以看到， 当m c u 运行到地址1 2 3 a h 的指令时，由于译码得到的是乘法指令，需要执行 多个周期才能完成，此时m c u 输出的地址保持不变，而预取模块却在继续预取 的工作。当m c u 执行完此乘法指令，预取模块已经预取到1 2 3 e h 地址的指令了， p or d y 信号也一直持续高，表示预取模块内部的f i f o 不为空。m c u 从地址 1 2 3 b h 开始继续往下执行，可以看到1 2 3 b h 至1 2 3