（电力电子与电力传动专业论文）8位高性能微控制器的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 本文设计的s d z x m v 0 1m c u 核，已通过了完整的软件仿真验证和f p g a 硬件验证，目前正在上华( c s m c ) 进行全静态c m o s0 6 u r n 工艺的a s i c 流片。 本文提出的设计方法和思想对设计m c u 具有实际的参考价值和应用意义。 关键词：微控制器多时钟体系并行优先级中断堆栈跟踪双d p t r 1 6 m b 寻址门控时钟f p g a 硬件验证 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) i st h ek e yc o m p o n e n to fm a n yd i g i t a ls y s t e m s t o s u c c e s s f u l l yd e s i g nam c u w i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi sn o to n l yw i t hg r e a t c h a l l e n g eb u ta l s oo u rp u r s u i n gi d e a la n dg o a lb e c a u s em c u i sv e r yc o m p l i c a t e di n s t r u c t u r ea n dc a l l sf o rh i g hr e q u i r e m e n ti ns u c ha s p e c t sa sr o b u s t ，a r e a ，s p e e d ，p o w e r c o n s u m p t i o na n df u n c t i o n f o r t u n a t e l y , ib e c o m eo n eo f t h em e m b e r st o d e s i g na h i g h s p e e d8 0 51 c o m p a t i b l em c u u s e di n “m a c h i n ev i s i o nc h i p ”w h i c hi sf u n d e d b ys h a n g h a in a t u r es c i e n c ec o m m i s s i o na st h ee m b e d d e dp r o c e s s o r i a l na c t u a l l y r e s p o n s i b l ef o rd e s i g n i n gt h ec o n t r o lu n i t ，s o m es p e c i a lf u n c t i o n s ，t h ep l a t f o r mf o r f p g ae m u l a t i o na n d s y n t h e s i z i n gr t l c o d e sw i t ht h eh e l po f d e s i g nc o m p l i e r t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sa ne n t i r ef l o wf r o mm o d u l ep a r t i t i o nt od e s i g nv e r i f i c a t i o n i nt h ee x a m p l eo fs d z x m v 0 1a n dp r e s e n t ss e v e r a ln e wi d e a sw h i c hh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d i ns d z x m v 0 1 i nt h ed e s i g no fc o n t r o lu n i t ，am u l t i - c l o c ka r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e dt od e s i g nt h e c o n t r o lf l o wi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lm e t h o do ff s m ，w h i c hm a k e ss d z x m v 0 1 t h r e eo rs i xt i m e sa sf a s ta ss t a n d a r d8 0 51w i t ht h ec o r eo ff o u rc l o c k sp e rm a c h i n e c y c l ea n d t w ot i m e so fc o n t i n u o u si n s t r u c t i o nf e t c hi no n em a c h i n ec y c l e t h ec o d i n g m e t h o dc a l l e d i m p r o v e ds t e p p e rc o u n ti s a l s op r o p o s e dt op r e v e n tt h ec o m p l e x i t y c a u s e db yt h ec o m b i n a t i o no f t i m ea n ds p a c ew h e n c o d i n g t h ec o n t r o ls i g n a l s t r a d i t i o n a lm c u s u s u a l l yu s ed a i s yc h a i nm e t h o do fe s t a b l i s h i n gp r i o r i t y t h a t c o n s i s t so fas e r i a lc o n n e c t i o no fa l ld e v i c e sw h i c hr e q u e s ta ni n t e r r u p t i ti sm u c h f l w a s t eo ft i m et h a tm c u p o l l si n t e r r u p ts o u r c e sa c c o r d i n gt ot h e i rl e v e l so fp r i o r i t y e a c ht i m e s ot h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa ni n t e r r u p ts y s t e mw i t ht w ol e v e l s o f p r i o r i t y a n dt e nm a s k a b l ei n t e r r u p ts o u r c e s ，b r i n g i n gf o r w a r dap a r a l l e l p r i o r i t y i n t e r r u p t h a r d w a r ew h i c hi si l l u s t r a t e dw i t h p r o g r a m f l o wc h a r ti nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，a nu n i q u em e t h o dc a l l e ds t a c kp o i n t e r ( s p ) t r a c ei sp r e s e n t e dt o g r e a t l ye x t e n dt h el e n g t ho f s t a c k a no n c h i pp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mw i t hf i v e m o d e si sd e s i g n e dm a k i n gs d z x m v 0 1v e r ys u i t a b l ef o rt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o n a r e a am u l t i s o u r c er e s e ts y s t e mw i t ht h ef u n c t i o no fs o u r c eq u e r yi sd e s i g n e dt o 上海大学硕士学位论文 p r e v e n ts d z x - m v 0 1f r o mw o r k i n gw r o n gi nm a n ys i t u a t i o n s an e w s c h e m eu s i n g d u a ld a t ep o i n t e r s ( d p t r ) a n dd u a l6 4 k b y t e sp a g ep o i n t e r s ( d p p ) i si n t r o d u c e di n o r d e rt oa v o i dt h ed a t at r a n s f e rb o t t l e n e c ke x i s t e di ns t a n d a r d8 0 51 o nt h eb a s i so f d p t r & d p p , a l le n h a l l c e da d d r e s s i n gf u n c t i o ni sd e v e l o p e dt om a k es d z x - m v 0 1 a c c e s su pt o16 m b y t e so fe x t e r n a lr a m ( s r a m ) w h i l es t a n d a r d8 0 51c a l lo n l ya c c e s s t o6 4 k b y t e so fs r a m as c h e m ea b o u th o wt os e tu pt h et e s t b e n c hf o rs i m u l a t i o na n d e m u l a t i o ni sf i n a l l yi n t r o d u c e d t o g e t h e rw i t hs o m el o g i cs y n t h e s i ss t r a t e g i e s t h em c uc o r e - s d z x - m v 0 1h a sb e e ns u c c e s s f u l l yv e r i f i e di nb o t hs o f t w a r e s i m u l a t i o na n df p g ae m u l a t i o n a tp r e s e n t ，s d z x - m v 0 1i s b e i n gm a n u f a c t u r e d w i t ht h e t e c h n o l o g y o f f u l l ys t a t i cc m o s 0 6m i c r o ni nc s m c a l lt h ei d e a sa n dm e t h o d sm e n t i o n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r eo fg r e a tp r a t i c a l v a l u ea n d s i g n i f i c a n ef o rr e f e r e n c ea n da p p l i c a t i o n i nt h em c u d e s i g n k e yw o r d s ：m c u ；m u l t i - c l o c ka r c h i t e c t u r e ；p a r a l l e lp r i o r i t yi n t e r r u p t ；s t a c kp o i n t e r t r a c e ；d u a l 1 6 一b i td a t ap o i n t e r s ；1 6 m b y t e s a d d r e s s i n g ；g a t e dc l o c k s ； f p g ae m u l a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导卜- 进行的研究 ：作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果a 参与同工作的其他司志对本研究所做的任何 贡献均已在论文 j 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：羟r 本论文使用授权说明 本人完全r 解上海大学有关保留、使用学位论文的蜘定，目f j ：学 校有权保留沦文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校。j 以公前i 论文的个部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 鸶，剜：妒4 弓，r 上海市科委自然科学基金项目支持 ( 基金号：0 2 d j l 4 0 3 4 ) 机器视觉及其芯片实现研究 上海市科委技术攻关基金项目支持 ( 基金号：0 2 5 9 1 1 3 2 3 ) 计算机视觉及其芯片化实现 上海市教委科技发展基金项目支持 ( 基金号：0 3 a k l 6 ) 计算机视觉及其芯片化实现 第章绪论 上海大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来具有再利用率高、高设计效率、缩短设计周期等特点的嵌入式设计j 下 日益成为数字系统设计的一个热点。应用这一方法设计的各种嵌入式微处理内 核、i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 和片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 己被广泛地应用于 掌上型设备、i n t e m e t 信息交换、智能卡和各类微控制系统中。据世界半导体贸 易统计协会( w s t s ) 统计，p c 处理器只占世界处理器市场总数的6 ，而嵌入式 微处理器则达到9 4 。嵌入式核的实现是整个嵌入式设计的关键。在各种嵌入 式核中，c p u 核是很重要的一支，也是应用领域最广泛的一类嵌入式核。 c p u 核分为m p u ( 微处理器) 和m c u ( 微控制器) 1 2 。m c u 又称为单片 机，是主要负责系统产品中控制功能的集成电路元件，相比于m p u 具有体积小、 功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，因此成为嵌入式系 统工业的主流。m c u 广泛应用于国民经济建设和国防现代化建设中，包括通信、 医疗、军事、汽车系统、消费类电子、仪器仪表和工业电子设备等，尤其在消费 性与车用产品上需求特别强烈。 因此设计一种功能强大的高速m c u ，对于嵌入式系统的发展具有很大的实 用意义。 1 2m c u 发展现状 1 2 1 国内外m c u 概况 m c u 的片上资源比较丰富，品种数量很多，根据用户需要可灵活选择。现 在几乎每个半导体公司都有自己的m c u 产品，越来越多的系统公司有自己的专 用m c u 的设计部门，m i c r o p r o c e s s o rd a t ad i g e s t 公布当前m c u 商品的型号 数达一万多种吼目前，市场上的m c u 有4 位、8 位、1 6 位、3 2 位和6 4 位共5 种，其竞争正口渐激烈。在8 位m c u 市场，各个供应商的产品都趋于雷同，为 使自己的产品与众不同，供应商们都设法通过增加片上程序空间和增强开发工具 的功能来赢得客户，使客户编程更方便、产品上市时间更快3 1 。如m i c r o c h i p 最 新推出了8 位闪速微控制器系列p i c l 8 f 6 x 2 0 和p i c l 8 f 8 x 2 0 ，这两个系列在片 上集成了最多达1 m b 的f l a s h 存储器，可广泛应用于工业和通信领域。1 6 位m c u 第1 页共9 8 页 第一章绪论上海大学硕士学位论文 目前还未对8 位m c u 构成竞争，但仍然占有较大的市场份额。如德州仪器( t i ) 推出的m s p 4 3 0 带有片上直接传送控制器模块，使c p u 可以执行d s p 运算，该 器件比传统的m c u 速度更快，但仍保持超低功耗。在性能起决定作用的3 2 位 产品领域，a r i d 因其架构而占据优势，许多厂家如p h i l i p s 、a t m e l 、o k i 等， 采用a r i d 处理器作为内核。 在g a r t n e r 最近宣布的一份“全球半导体市场动态”中指出【4 】：2 0 0 3 年至2 0 0 7 年全球m c u 市场销售额的年复合增长率( c a g r ) 达到1 4 3 ，而在2 0 0 2 年中，8 位m c u 占据了全球5 2 的销售额，约是1 6 位和3 2 位m c u 各自销售额的1 8 倍和2 2 倍，所以八位m c u 仍是当前应用的主流。这是因为8 位m c u 主要面 向嵌入式低端( 如家电类消费电子) ，在其能基本满足低端应用的响应速度和功能 要求后，数据宽度不成为其技术发展的主要矛盾。因此8 位m c u 会稳定下来， 其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质 要求”i 6 1 。 在我国8 位m c u 市场上竞争的供应商主要有两大“军团”：类是美国、 日本和欧洲供应商，它们注重与倡导先进的产品性能和附加特性：另一类是台湾 及韩国供应商，它们看重低端应用的市场，以相对简单的功能和低廉的价格，赢 得市场l 孔。而我国m c u 产品方面，目前量产的主要是4 位和8 位的m c u ，针对 消费电子类、工业控制以及军工应用。这就需要我们尽快设计出拥有民族品牌和 自主知识产权的性能优异的m c u 产品，在这一领域争夺较好的市场，使中国的 i c 设计业及微电子产业得到快速健康的发展，为将来打好基础。 1 2 2 基于8 0 5 1 内核的8 位m c u 现象 上世纪8 0 年代i n t e l 公司在m c s 一4 8 系列的基础上，推出高性能的m c s 一5 l 系列八位微控制器，该系列微控制器一经投入市场里，很快被使用者所欢迎。随 着时间的推移，世界各生产微控制器的公司看好m c s 5 1 系列的强劲趋势，在八 位微控制器的设计上纷纷向5 l 系列内核靠拢。p h i l i p s 公司首先购买了8 0 5 1 内 核的使用权，并在此基础上增加具有自身特点的l z c 总线，以及推出一系列高性 能具有快闪存储器的标准8 0 c 5 1 派生型八位m c u ，如5 1 l p c 系列的l p c 9 0 0 ， 其多次在线编程为用户带来极大方便。a t m e l 公司通过技术交换取得了8 0 c 3 1 内核的使用权，生产出a t 8 9 c 系列微控制器。到目前c y g n a l 的c 8 0 5 1 f 和 第2 页共9 8 页 第一章绪论 上海大学硕士学位论文 d a l l a s 的d s 8 9 c * * 系列等先进的高速m c u 都是基于8 0 5 1 内核的微控制器。 所有改进道路上的每一步都遵守了不变的原则，即必须保持和8 0 5 1 指令集完全 兼容! 在嵌入式系统s o c 的最终体系中，m c s 5 1 咀8 0 5 1 处理器内核的形式延 续下去。 1 2 3m c u 的发展趋势 从实用意义上讲，8 位m c u 的专用集成电路是最早实现的片上系统。由于 8 位m c u 应用系统规模较小，很容易实现系统的单片集成。除了专用集成电路 外，8 位m c u 还会以数模混合方式推动通用型s o c 的发展，并将作为c p u 核， 以i p 核的方式进入基于i p 的微电子s o c 设计应用。 总而言之，m c u 的技术和市场将按下述方向发展 2 1 1 9 】： 4 位m c u 市场将继续畏缩； 由于新应用在嵌入式电子设备中的不断涌现，8 位m c u 仍将保持霸主地 位；嵌入网络处理功能的8 位m c u 是市场亮点； 虽然3 2 位m c u 市场份额只有约1 0 ，但将增长很快。3 2 位m c u 今后 的发展方向是：与d s p 融合向s o c 方向发展，采用r i s c 微处理器结构； 针对不同的应用，m c u 制造商将推出更多特色产品，如管脚数少( 可少 至两脚) 、低功耗、低噪声、系统内编程( i s p ) 等。 1 3 本文主要研究工作 1 3 1 课题的目标 “机器视觉及其芯片实现研究”项目主要研究用目的机器视觉分析皮肤显 微图像，将皮肤专家的知识、护理意见、经验等内容来构建皮肤诊断知识库，将 经过专家确认的典型皮肤症状构成样本库，采用机器视觉的理论和技术，结合皮 肤专家的临床经验，以知识驱动整个从图像的采集、预处理、分割、特征提取、 识别、解释到理解的整个过程，实现皮肤诊断的智能化。采用s o c 技术将整个皮 肤测试、珍断系统集成在一块芯片上，就可以实现单芯片智能皮肤诊断，升：仅使 系统干扰减小、可靠性提高，而且使系统具有很高的性价比。 本课题是“机器视觉及其芯片实现研究”的基础部分，研制基于m c s 一5 1 指 令系统的高性能微控制器i p 核( s d z x - m v 0 1 ) ，作为机器视觉s o c 的嵌入式c p u 第3 页共9 8 页 第一章绪论 上海大学硕士学位论文 内核。s d z x m v 0 1 具备高速( 4 时钟周期机器周期) 、大的外部r a m 寻址空 间( 1 6 m b ，标准8 0 5 1 核只有6 4 k b 寻址空间) 、看| 1 狗定时器、l o 个中断源， 以及非常有特色的硬件堆栈跟踪、片上复位管理系统、片上低功耗管理系统。最 后将该i p 核以与标准8 0 5 1 完全兼容( 引脚、指令系统同8 0 c 5 1 完全兼容) 的 单芯片形式进行a s i c 流片，作为芯片化实现和硬件验证。 1 3 2 课题的意义 近1 0 年来我国的电子工业取得了很大的进步，无论在消费类产品如电视、 录像机还是在通信类产品如电话、网络设备方面，产品的档次和产量都有快速的 提高。但这些产品的核心部件一芯片，大多需要进口，每年需要花费大量外汇来 购买。许多产品技术档次的进一步提高也由于受制于核心芯片，使企业生产的产 品总体档次还较低、价格受制于人，因此利润非常低，主要依靠我国相对较廉价 的劳动力才能在市场中生存。这其中m c u 就是核心芯片之，因此研制有自主 知识产权的高性能m c u ，不受制于人，对抢占电子工业的制高点，对发展我们 自己的相关芯片和s o c 设计、生产，具有重要的实际意义，有利于提高我们微 电子设计的原创力，提高我国电子工业的核心竞争力，其经济价值和社会效益无 法估量，是非常迫切的任务。 本次设计的微控制器不仅频率高、速度块，而且有许多既适合s o c 嵌入式 集成又考虑单芯片应用的增强功能，所以性能大大优于标准8 0 5 1 ，可以胜任那 些对处理速率和功能要求较高的场合。虽然设计初衷是服务于机器视觉，但是由 于兼容标准m c s 5 1 指令系统，又增加了许多实用的功能，因而是一款适用面非 常广的高速微控制器。 1 3 3s d z x m v 0 1 设计完成的过程 整个芯片从系统设计到最后完成由四人小组经过一年多的攻关在上海大学 微电子研发中心完成。研发过程： 1 首先仔细分析标准8 0 5 1 的结构和功能，找出其速度的瓶颈，提出改迸方 法：同时广泛搜集市场上有代表性高速m c u 的资料后，从中吸收一些 成熟的、非常有实际应用价值的功能，和机器视觉应用的环境相结台， 确定芯片的总的设计目标，即功能要求；然后合理地划分模块，并确定 各人的工作任务。 第4 页共9 8 页 第一章绪论 上海大学硕士学位论文 2 用v e r i l o g 行为级描述模块的功能，并在a l d e c 的a e t i v e h d l 软件和 c a d e n c e 的v e r i l o g - - x l 软件环境下完成仿真测试，然后把彳亍为级转换成 r t l 级可综合的描速，同样在上述软件里完成各个模块的仿真。 3 将各独立模块分别在a l t e r a 的q u a r t u s l i2 0 软件和m e n t o r 的m o d e l s i m 5 ，5 0 e m 中结合特定的f p g a 器件进行时序仿真，以确保模块设计的稳 定性和可靠性。 4 同样在q u a r t u s l i2 0 软件中选择型号为a p e xe p 2 0 k 2 0 0 e 的f p g a 编译 r t l 级源代码，进行整个核的时序仿真，然后把设计下载入芯片进行在 f p g a 开发板上的第一级硬件验证。 5 画p c b 板，搭建验证平台，从f p g a 开发板拉出m c i i 的引脚，进行第二 级硬件验证，即模拟真实环境的实际应用系统验证。 6 完成上述步骤后进入a s i c 的m p w ( 多项目晶圆) 流片阶段，这一步主 要在s u n 工作站上完成，用c s m c0 6 “m 工艺库实现设计。进行r t l 代码到电路到版图的整个流程。 7 在设计通过综合和布局布线后仿真，以及最后的d r c ( 设计规则检查) 和l v s ( 版图电路一致性检查) 后把数据交由厂家流片。 1 3 4 本人工作 本人在s d z x m v 0 1 的设计和验证中，主要做了以下工作： 采用一种多时钟体系结构技术和改进的步长计数译码方法设计控制流 和指令译码器，并成功地应用于s d z x m v 0 1 的控制单元的设计： 提出一种独特的硬件堆栈跟踪方法，并成功地在s d z x m v 0 1 的堆栈管 理中予于实现。采用本方法将使系统的堆栈容量大大提高，这对设计高 性能m c u 具有极大的应用价值： 给出了一种具有5 种工作模式的系统功率管理设计方案，使 s d z x - m v 0l 非常适合低功耗领域的应用； 设计了一种可对系统进行多源复位管理的方案，使s d z x m v 0 1 具各在 多种情况下防止运行出错，提高了系统安全运行的能力： 在标准8 0 5 1 指令体系的框架下。设计了种采用双d p t r 数据指针和 双6 4 k b 页指针d p p 的数据传送方案，大大提高了m o v x 数据传送的 第5 页共9 8 负 第一章绪论 上海大学硕士学位论文 速度： 数据量大是图像数据的大特点，标准8 0 5 1 只能寻址6 4 k b 的外部 r a m ，这对于图像处理中数据信息的交换空间是远远不够的，针对此应 用要求而专门设计了具有1 6 m b 外部r a m 寻址的功能； 给出了一种用f p g a 对i p 核进行功能分析、验证的实现方案： 流片阶段负责使用s y n o p s y s 公司的a s i c 综合工具d e s i g n c o m p i l e r ( d c ) ，把r t l 级代码综合成电路网表。针对s d z x - m v 0 1 的特 点，采用了创建理想时钟、多周期路径约束等整体约束和专门约束相结 合的优化策略，使综合后的电路在时序和面积上达到较优的折衷； 流片阶段负责在v e r i l o g - x l 仿真软件里，以s d f 时序反标到网表的形 式，进行带有门单元延时的综合后仿真，以及带有门单元和路径延时的 布局布线后仿真。 1 4 内容安排 论文按照整个s d z x - m v 0 1 的设计和分析的过程进行组织和编排，从总体的 结构概述。到细化的各个特殊功能模块的原理说明，到最后系统的各级验证，讲 述了一个比较完整的设计过程和设计思想，并介绍了在设计过程中的经验。全文 共分8 章，其结构如下： 第一章是对微控制器的应用现状及发展趋势进行综述。概述了本文主要研究 的内容及行文的整体安排。 第二章讲述s d z x m v o i 的总体框架、主要的技术特点、内核的设计思想及 模块划分的思路。在对比标准8 0 5 1 的基础上，提出了许多s d z x m v 0 1 的改进 措施。 第三章详细分析m c s 一5 l 指令系统的特点，在此基础上提出了改善指令执行 效率的新的时序设计，并给出实例。 第四章阐述m c u 的大脑即控制单元的设计。着重描述隶属模块的硬件结构 和电路原理。 第五章详细阐述作者具有独创性的一些特殊功能模块。给出从概念设计到电 路实现的完整过程。 第六章是关于s d z x m v 0 1 的测试验证。讲述了测试方案的拟制以及验证过 第6 页共9 8 页 第一章绪论上海大学硕士学位论文 程中采用的多层次的验证手段，以确保设计正确无误。 第七章讲述s d z x m v 0 1 的a s i c 流片工程。指出a s i c 的流程，电路综合 时的优化策略，和流片时遇到的最大困难r a m 接口问题。 第八章是研究开发过程的总结。对进一步研究与开发的方向作了讨论。 最后是附录，有综合后的指令译码器电路以及s d z x - m v 0 1 的芯片版图等。 第7 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述上海大学硕士学位论文 第二章系统设计总体概述 2 1s d z x m v 0 1 总体概述 s d z x m v 0 1 是同8 0 5 1 兼容的高速8 位微控制器。在分析标准8 0 5 l 的基础 上，重新设计了内核，去掉冗余的时钟周期，使得同一时钟频率下。其速度为标 准8 0 5 l 的3 6 倍。只需较低的时钟频率即可达到同样的性能，无疑降低了功耗 和e m i ( 电磁干扰) 。s d z x - m v 0 1 的主要功能特点如下： 高速内核结构，每个机器周期4 个时钟周期； 0 6 t i n 工艺实现，2 5 m h z ( 最高) 时钟； 引脚和指令同8 0 5 1 完全兼容。这使用户能够非常方便地升级现有的5 v 应用， 而无须花费巨大的代价去修改软件或重新设计硬件： 支持最大6 4 k b 外部程序存储器及1 6 m b 外部数据存储器： 两个1 6 位定时计数器：个全双工串行口；一个看门狗定时器( w d t ) ； 支持1 0 个两级优先级的系统中断源。其中外部中断源多达六个，这样 s d z x m v 0 1 可与多出标准器件三倍的外部器件相接口； 多级复位管理，增加软件强制复位、堆栈溢出复位和看门狗定时器复位，并 具复位源查询功能； 独特的硬件堆栈跟踪功能，堆栈指针s p 在内部r a m 的0 7 h - - 7 f h 和外部 r a m 的8 0 h f f h 两个区域之间自由切换，使片内外堆栈区域无缝连接， 特别适合大型的应用程序； 提供多达五种工作模式的p m m ( p o w e rm a n a g e m e n t m o d e s ) ：正常( n o r m a l ) 、 空闲( i d l e ) 、掉电( p o w e r - d o w n ) 、经济1 和经济2 ( e c o n o m y ) ，特别适合 低功耗的运行场合。退出掉电模式可以有两种方法：引脚复位和外部低电平 中断唤醒； m o v x 指令周期长度可在3 8 个机器周期内可调。这允许s d z x m v 0 1 可 与多种类型的片外存储器相匹配： 在兼容m c s 一5 1 指令集的基础上，增加条d e cd p t r 指令： 可自动递增递减的双d p p 和双d p t r 功能，特别适合大块数据传送，相比 用单d p t r 进行数据块操作约有3 0 的速度提升。 笫8 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述上海大学硕士学位论文 2 1 1 大幅提升性能的高速内核 随着嵌入式系统的发展，系统设计者不断地对基于8 0 5 1 的应用进行改进和 升级，将标准8 0 5 1 微控制器的性能推向了极限。可是标准8 0 5 1 要求1 2 个时钟 才能运行一个机器周期，每条指令需要1 到4 个机器周期，这意味着执行一条指 令就需要少则1 2 个多则4 8 个时钟周期。这样，即便是运行一连串象n o p 这样 的单周期指令，吞吐率被限制于仅有1 m 1 p s ( 1 2 m h z ) 的速度。 m i p s = 执 行条数( 执行时间1 0 6 ) = 时钟频率( c p i 1 0 6 ) 笔者在在对标准8 0 5 1 执行m c s 5 1 指令系统的分析中发现其时序上存在 着巨大的浪费：多数指令被强制去执行哑周期。为此，在重构c p u 内核的基础 上精心设计了s d z x m v 0 1 ，如图3 - 1 所示，采用了个4 时钟周期、每机器周期 两次取指的架构，这样相比标准8 0 5 1 效率提升了三倍以上。在相同的频率下， 所有指令的运行速度提高了3 6 倍，而若以最快速度( 2 5 m h z ) 运行，吞吐率 可达6 2 5 m i p s 。 2 1 2 堆栈s p 跟踪 堆栈指针( s p ) 是一个8 位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在内部r a m 区 域中的位置。s p 可以使用的区域为0 7 h 一7 f h 。栈顶固定为7 f h ，而栈基则可 以设置在区域中的任何位置。通常用户为了更多地使用有限的内部r a m 空间， 会把s p 的初值也就是栈基设置得比较高，如6 0 h ，这样s p 真正的空间仅为1 f h 。 对于大型的频繁调用子程序的系统，或采用递归算法的程序，s p 就可能溢出导 致系统失控。 堆栈指针跟踪功能使得s p 在内部r a m 的0 7 h - - 7 f h 和外部r a m 的8 0 h - - f f h 两个区域之间自由切换。当栈顼溢出内部r a m 空间时，s p 自动指向外 部r a m ：反之外部r a m 的堆栈区域全空时，s p 自动指向内部r a m ，切换过 程不需要用户的任何参与。扩展的1 2 8 字节堆栈空间可以让用户随心所欲地嵌套 予程序和中断，并能很方便地将参数传递给予程序和局部变量，而不用再为狭小 的堆栈空间烦恼。用户所要做的仅仅是开始时设置s p t c o n 寄存器来打开此项 功能，默认情况下为关闭。由于不管是开启还是关闭此功能，s p 都还有可能溢 出，因此设置了用户不可见的系统内部堆栈溢出标志。该标志动态跟踪s p 钓值， 堆栈溢出时微控制器会自动置此标志位，以使w d t ( 不用计数延时) 能立刻复 第9 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述上海入学硕士学位论文 位系统。详细设计见5 ，l 节。 2 1 3 多种功率管理模式 基本的物理法则( 见5 2 节) 告诉我们，数字电路的功率消耗e 比于有开关 动作的晶体管数量以及开关的速率( 频率) 。s d z x m v 0 1 内核采用每机器周期4 时钟结构而非1 2 时钟，这就意味着在同等速度下完成同样的工作，只需更低的 晶振频率。由于功耗正比于晶振频率，这样，在不牺牲性能的前提下，执行每条 指令所需的功耗比标准8 0 5 1 显著降低。这种功耗的降低显然是结构上改进的结 果，根本不用采用基于锁存器( 1 a t c h ) 的复杂设计。 3 5 3 0 一2 5 0 2 0 毒1 5 1 0 5 o 金莲空阐功率管理攒式比较 ， 一， 一一 一， ，弋a u a ， id j 一 慧 媳； r al ，e。鬻划 0 2 4 p ，一 ， 尘牲揽 一 一 1 ， j 1 t l 频率( i d h z ) 图2 - i 垒速变闲功痒餐理模式比较 s d z x m v 0 1 具有多种功率管理模式：正常、空闲、掉电和经济模式。前三 种模式的功能同标准8 0 5 1 是一样，这里不再赘述，而经济模式则是s d z x m v 0 1 作为一款低功耗微控制器所独有的特色。在此模式下，通过软件可配置的内部时 钟分频器，使系统时钟( 机器周期速率) 可以在6 8 分频或1 0 9 2 分频两种工作方 式中选择，以使m c u 用不同的功耗满足不同的性能要求。附加的回切特性功能 使m c u 在串行口操作或外部中断发生并被确认时，立刻切换到全速工作模式( 4 时钟周期) ，详细设计见5 , 2 节。 参考同样四时钟周期，且具有类似功能的m a x i m 公司d s 8 0 c 3 2 微控制器 ( 兼容8 0 5 1 ) 的工作方式比较图2 1 【9 ，1 0 l ，可得大致功耗排序x t a l 4 ( n o r m a l ) i d l e x t a l j 6 8 x t a l 1 0 9 2 p o w e r - d o v v a 。 第1 0 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述上海大学硕士学位论文 2 2 系统设计思想 s d z x - m v 0 1 是一款单芯片的高速微控制器，设计初期是作为机器视觉芯片 的s o c 内核。s o c 的设计与传统设计方法有较大不同，采用的是同时考虑物理 设计和系统性能的基于软硬件协同的一种交互的模式，即：硬件设计包括硬件描 述、时序设计、验证等；软件协同设计耍考虑指令集、指令编译系统、开发集成 环境、模拟仿真设备等。不过当事先已经知道核的应用环境，并且使用这些信息 开发了核的功能时，适合采用纯粹的“自顶向下”设计方法，因为s o c 的设计 依赖于核的设计1 。而s d z x m v 0 1 内核恰巧符合这一点，由于其应用环境( 砸 向图像处理) 已经事先知道，其信息也被用于开发核的功能说明，加上兼容 m c s 一5 1 指令集的一大优点，就是微控制器市场上基于8 0 5 1 的集成开发环境包 括仿真器、编译器( 如k a i l ) 等都非常成熟，可以省去很多嵌入式软件的设计 时间，所以采用“自顶向下”的设计方法不失为最佳选择。 “自顶向下”的设计是从系统级开始，把整个系统看成是包含输入输出端口 的单个模块，并在系统层次上对其性能进行行为描述，再通过系统级模拟，对其 性能进行优化和取舍。这个系统级模块又进一步划分为一个个接口清晰、相互关 系明确的子功能模块，然后针对每一个模块进行相关功能的行为级模拟，以验证 各个模块的功能与性能。最后通过e d a 工具提供的逻辑综合软件，自动地将其 综合到特定工艺库，完成整个的前端设计过程【1 2 】。采用“自顶向下”的方法从 一开始就掌握所实现目标系统的性能状况结合应用领域的具体要求，通过调整 设计方案，直接着手进行性能优化或折衷取舍。随着设计层次向下进行，系统的 性能参数将进一步得到细化与确认，并随时可以根据需要及时加以调整，从而保 证了设计结果的正确性，缩短了设计周期。 合理地划分子模块并定义好接口可以减少子模块相互之间的耦合度，降低总 体设计的复杂程度，而且易于测试和实现时钟门控，降低功耗。模块过少不能显 著降低复杂度，模块间高速并行操作难以实现，同时综合软件优化的范围缩小； 模块过多，则互相之间的信号通信互控机制设计难度加大，同时也不利于编程。 所以在s d z x m v 0 1 的模块划分时，遵循下面2 条基本原则： 1 、模块的相对独立性。模块功能相对独立，模块内部联系尽量紧密，而模 块间的连接尽量简单；既要降低功能实现的复杂度，又要考虑实现的电路面积、 第j | 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述 上海大学硕士学位论文 时序的优化。 2 、模块的工作并行性。模块要能并行工作、协同设计，使设计组成员可在 最大程度上互不干扰地设计自己的子模快，并且在调试、更改某个子模块时，并 不会影响其它模块的实现结果，从而保证设计的稳定性与可靠性。 核一i ：, s f r 专用处理卅卜、 蚓内靴s 字孙w( a c c b p s w )厂叫 写芒 飞7 所有s f r 郜j 内容l 1 卜 l 卜l 存储器s f r 地址生成l 及其写信号选择器卜广 一s 嗍踪1 p c d p t r 扒 g = d 算术逻辑单元 1 6 位寄存器处理卜广_ 操作数寄 府离 存器巨琴 指令码妙 旧状态 1 凡 看门狗定时器l 厂- 7 指令译码器 rh 。控制信粤 l 小 i o 端口处理 中断控制器k 令 1 c 1： 之多 m o dn 燃块p 。1l i2 枷尉姗r p 怒s e n 三：毛磊 ， ：蚓通用异步蜥口| h e a p o r t0 p o r t2 p o r t 1 p o r t3 图2 2s d z x j l i v 0 l 整体结构方框图 图2 2 是s d z x m v 0 1 基于结构特性和逻辑功能的模块划分的整体结构图， 外部引脚兼容标准8 0 5 1 。s d z x - m v 0 1 由控制器、a l u 、存储器、寄存器组、i ，o 接口等功能模块组成。各功能模块采用了并行方案，以加快执行速度。 a l u 是高速并行算术与逻辑运算器。控制系统中对8 位m c u 的算术与逻辑 计算不要求十分复杂，但要求实时、控制能力强劲、尽量精简。在s d z x m v 0 1 的指令系统中，对乘除的计算仅仅是8 位整数运算，不用设计耗时很多且算法复 杂的乘法器。但为了让综合器生成较为高速的乘除电路，设计了独立的乘法除 第1 2 页共9 8 页 第二章系统设计总体概述 上海大学硕士学位论文 法一体的模块，共需8 个时钟周期完成一条乘或除指令( 标准8 0 5 1 需4 8 个时钟) 。 相对而言a l u 的其它运算只要1 个时钟即可完成，从而使整个系统的运行速度 得以提高。a l u 用硬布线