（电力电子与电力传动专业论文）一种用于空调控制器的嵌入式系统的设计.pdf

a b s t r a c t b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fa ne m b e d d e dp r o c e s s o rd e s i g n ，t h i sa r t i c l es h o w s t h ea u t h o r ，ss k i l l si ni cc i r c u i t sd e s i g nf o l l o w 。a n dp r e s e n t st h ea m e i i o r a t i o n o nt h ef o r m e rm e t h o d s a i m e da tt h et o s h i b a8 7 0s e t i e sm c ua p p l y i n go r 1t h ef i x f r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n ，t h ep a p e rd e s c r i b e sa l lt h ep r o c e d u r e si nt h ew o r k f l o w ： i n c l u d i n gs y s t e m sf u n e t i o na n a l y s i sa n dp a r t i t i o n ，d e t a i l e dd e s i g ns t e p s ，a n d v e r i f i c a t i o n t h ea r t i c l ea l s o b r i n g s f o r w a r dt h ei n n o v a t i o n so fs t a t e c o n t r o l l e r ，r e p e r t o i r e ，a n di n t e r r u p t i o nm a n a g e m e n t ，w h i c hm a k e m u c hm o r e p r o g r e s si ns y s t e mg e n e r a l i z a t i o na n dm e a s u r a b i l i t yt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ev a r i e dd e s i g nm e t h o d s ，t h eo v e r a l ld e s i g nc o n c e p t u n d e rt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t si sa d o p t e d u s i n gt o p d o w nd e s i g nt e c h n i q u e s ， ac o m p l e t ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nm a d e ，w h i c hc o n t a i n s4 1 2i n s t r u c t i o n s t w o 8b i t st i m e r c o u n t e r ，a1 6b i t st i m e r c o u n t e r ，aw a t c hd o g ，as b i ( s e r i a lb u s i n t e r f a e e ) c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n d8r o u t e s1 0b i t sa ds a m p l i n gi n t e r f a c e t o g e t h e rw i t ht h ef u n c t i o n so fc l o c km a n a g e m e n t p o w e rs a v i n g t h eh i g h e s tr u n n i n gf r e q u e n c yi se x p e c t e dt or e a c h8 m h z ，w h i l et h ea c t u a l f r e q u e n c yo ft h ee m b e d d e ds y s t e mr o a c h e s2 7 ，6 m h zi nf p g at i m i n ga n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o n i nd e c e m b e r2 0 0 2 ，t h es y s t e mw a s s u c c e s s f u l l yt a p e do u tw i t h s h a n g h u a0 6 u ml i b r a r yi nm p w ，w h i c ht a k e sf o r t yt h o u s a n d sg a t e sa n dc o v e r s t w e n t y e i g h t2 8 m m ：a r e a a n dt h eh i g h e s to p e r a t ef r e q u e n c yr e a c h e st o1 9 8 m h z t h e r e s u l ts h o w st h ep r o p o s e de m b e d d e ds y s t e mh a sr e a c h e di t sd e s i g nt a r g e ti nb o t h s y s t e mf u n c t i o na n dr e q u i r e m e n t ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fm o r er e l i a b l e f l e x i b l e a n df e a s i b l et h a na n yo t h e rt r a d i t i o n a lw a y s k e yw o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，m c u ，m i c r o p r o c e s s 。r ，p i p el i n e ，r e c o n f i g u r a b l e ，f p g a v 上海大学硕士学位论文 1 1 嵌入式处理器概述 第一章引言 微处理器是各种微型计算机和嵌入式系统的核心，从它诞生以来走过了一条迅速 发展的道路。经过多年的发展，嵌入式处理器已经从通用处理器领域分离出来，作为 嵌入式系统集成的内核，广泛用于工业控制、过程控制、智能仪表、数据采集和家用 电器等专用控制领域，成为计算机应用的一个重要分支。 数字电路设计近几年发生了很大的变化，半导体工艺的发展使得i c 能够集成复杂 的系统，比如板级规模的电路就能整合到i c 中，集成为个完整功能的芯片，我们 称之为单片微处理器系统。过去，采用带夕卜部数字和模拟电路的8 位微控制器进行设 计的许多产品，如今都在使用系统级芯片进行重新设计。在新的设计过程中，通常以 一个嵌入式处理器为核心，对已经存在的功能模块进行集成。单片微处理器系统集成 了嵌入式处理器、存储器、定时器和多种输入输出接口电路，与通用处理器比较具有 以下特点： 1 ) 集成度高，体积小，可靠性高：把各种功能部件集成到一块芯片上，减少了 各芯片的外部连线，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，适合在恶劣的 环境下工作。 2 ) 低功耗、低电压：这种微处理器有自己的电源管理和省电工作模式，通过电 池供电，适合便携设备应用。 3 ) 高性能价格比：功能强，插件少，调试简单，具有很高的性价比。 4 ) 高效率的指令系统：指令格式简单，位操作指令丰富，特别适合控制领域， 并且指令格式紧凑，执行速度快。 处理器作为微电子中最复杂、技术含量最高的部分，在经济建设、综合国力提升 方面有着重要的战略地位。随着近年来国家对微电子技术的重视和支持，我国的集成 电路设计和生产技术都有了较大的进步，并有着多年的技术和经验的积累，已使我们 有能力设计出拥有自主产权的微处理器核。本论文就是讲述了一个嵌入式系统的分析 和设计过程。 上海大学硕士学位论文 i 2 设计的目的 课题是在设计定频空调控制器的基础上提出的。该控制器是空调中的核心，由它 来控制空调的工作模式，并对外界环境进行模拟采样来决定空调的运行状态。在控制 过程中，通过内部r o m 单元内的程序代码，控制器要生成各种复杂的控制信号来控制 包括风机、四通阀、加热器等在内的各种外围设备。还必须生成p w m 信号来控制风机 的转动速度；为了方便用户使用，需要提供信息显示功能来显示空调的工作状态以及 工作定时功能。这样控制器集工业控制，状态显示，定时控制于一体。 控制器的核心是一块集成了众多外围模块的东芝t l c s 一8 7 0 系列m c u 芯片和一段定 频空调控制器的汇编程序。设计的目的就是设计一个与东芝t m p 8 7 0 嵌入式m c u 指令 和功能相兼容的嵌入式处理器系统，来运行已有的空调控制程序，并在此基础上对原 有的设计进行优化。 1 3 论文研究的内容 本文设计的嵌入式系统主要包含以下几个方面的内容： 1 ) 具备2 0 种寻址方式，1 2 9 种指令类型，通过选择性组合可以达到4 1 2 条基本 指令的指令系统； 2 ) 片内集成8 k 的r o m 单元、2 5 6 字节r a m 单元和6 4 字节的特殊功能寄存器： 3 ) 完备的中断管理模块，有1 1 个中断源，可以进行中断屏蔽，能对外部中断信 号进行滤波去噪； 4 ) 具备三级流水线操作来提高系统运行速度，通过附加逻辑可以达到取指令、 指令译码和指令执行并行运行； 5 ) 外围模块包含两个8 位和一个1 6 位定时器计数器，t i m eb a s et i m e r 模块， d i v i d e ro u t p u tf u n c it o n ( d v o 模块) ，w a t c hd o gt i m e r 模块，s e r i a lb u s i n t e r f a c e ( s b i 模块) ，具备8 路1 0 位精度的a d 转换模块： 6 ) 有2 2 个可灵活配置的输入输出引脚： 7 ) 在系统构成结构上，采用可配置的实现方案。通过对系统整体模块组成的调 整和系统运行时的寄存器动态配置，来增加系统的灵活性和通用性： 8 ) 针对该指令系统的编译、反编译程序以及一些设计测试中的文件转换程序。 第2 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 1 4 设计的工具和设计过程 本论文在初期设计和后期测试过程中，用到了很多不同的设计工具和设计环境 其过程分成以下几步来进行。 1 ) 行为级描述在a c t i v eh d l 中进行，在功能正确的情况下，将设计的行为描述 转化成r t l 描述，同样在a c t i v eh d l 下进行，这里做的工作主要是设计系统 的各个模块，同时利用a c t i v eh d l 的仿真环境来对各个独立的模块进行测试。 2 ) 在上一步完成的情况下，将独立的模块在q u a r t u s 中结合器件库来仿真，主 要用来查看门的延迟信息和可能存在的电路不稳定状态。 3 ) 经过以上步骤，保证以上每个模块编写都正确的情况下，将多个模块整合起 来，在a c t i v eh d l 下搭建测试平台，进行整体调试，在调试过程中，需要用 到自己设计的h 1 6 2 r o m 程序，将空调控制程序转化成r o m 文件。 4 ) 将上一步得到的结果在a l t e r a 公司的n i o s 开发板上模拟真实环境进行f p g a 验证( a d 部分用外部a d 芯片替代进行) ，这里主要是结合空调的控制器来 对实际空调进行控制操作，在此过程中，编写h e x 2 m i f 程序，将空调控制程 序转化成m i f 文件。 5 ) 将上一步测试通过的v e r i l o g 代码在s y n o p s y s 下结合0 6 u m 工艺库进行综合， 然后将综合结果放入c a d e n c e 下再次进行测试，确保设计在综合过后没有发 生错误，在这个过程里，利用h 1 6 2 p a g e r o m 程序将空调控制程序转化成1 2 8 个独立的块，以方便测试的进行。 6 ) 反编译程序将空调控制器程序( h e x 文件) 进行反编译，通过分析反编译的结 果来测试整个处理器系统中指令的使用情况，用来对电路进行优化。 7 ) 最后提取门级网表，布局布线，画物理版图直到流片。 1 5 设计达到的目标 该系统采用t o p d o w n 的设计方法，从系统总体功能分析着手，逐步划分成功能单 一的模块来实现。经过多级功能验证，并经过f p g a 现场功能模拟，达到预定的设计 目标。处理器设定工作频率为8 m h z ，在q u a r t u s 下结合e p 2 0 k 2 0 0 e 器件库综合速度最 第3 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 高可以达到2 7 6 m h z 。于2 0 0 2 年1 2 月采用上华0 6 u mc m o s 工艺库综合后m p w 流片成 功，通过最大延迟分析，样片运行速度最高可达到1 9 8 m h z ，占用四万门资源，面积 为2 8 m m 2 ，样片在实际空调控制器中初步测试成功。 1 6 设计中的特色 在该嵌入式系统的设计过程中，除了参考已有的设计经验，还对已有的设计方法 进行了改进和优化。实现方式和技巧主要包括以下几点： 1 ) 用r i s c 方式实现c i s c 方式的译码； 2 ) 用状态控制器来实现核心控制单元； 3 ) 灵活的可配置的体系结构； 4 ) 多层次的测试方法； 1 7 文章结构 文章按照设计和分析的过程进行组织和编排，其结构如下： 1 ) 第一章为引言，介绍了嵌入式系统的发展方向和主要用途，同时描述了本设 计的背景和目的，以及所获得的设计成果和在设计过程中的研究心得。 2 ) 第二章着重介绍东芝t l c s 一8 7 0 嵌入式系统的结构和特点，其中着重介绍了 t l c s 一8 7 0 处理器的存储安排和指令系统。 3 ) 在第三章主要说明嵌入式系统的设计和电路实现。其中包括指令译码、核心 控制器、存储控制器、中断控制器的设计，并以s b i 模块为例子讲述了外围 模块的设计。 4 ) 第四章详细描述了对系统电路优化的方法包括流水线功能的实现、系统结构 进行优化配置、低功耗优化以及系统时钟优化。 5 ) 第五章着重阐述了系统的测试。测试过程采用多层次测试确保设计正确无误。 6 ) 第六章针对该嵌入式处理器的指令系统来介绍编译器和反编译的实现手段， 以及在设计和测试过程中用到的文件格式转换程序。 7 ) 第七章为文章的总结。 第4 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 第二章东芝8 7 0 系列m c u 介绍口1 2 1 组成概述 图2 - 1 1 东芝t l c s 8 7 系列m c u 组成框图 东芝嵌入式m c t j 系统具备一块高速度高性能的8 位微处理器，同时还包括r o m 、 r a m 、输入输出p o r t s ( 具备直接驱动外部大电流设备的能力) 、三个多功能定时 计数器、一个l o 位精度的a d 转换器，。它包含以下特征： 1 ) 一个8 位的t l c s 一8 7 0 系列微处理器； 2 ) 指令执行速度为8 m h z ，即0 5 u s 一条； 3 ) 包含4 1 2 条基本指令的指令系统； 乘法，除法指令( 8b i t s 8b i t s ，1 6b i t s 8b i t s ) 位操作指令，其中有( s e t c l e a r c o m p l e m e n t l o a d s t o r e t e s t e x c l u s i v e ) 1 6 位的数据运算指令 相对跳转、绝对跳转、程序调用的跳转指令： 4 ) 2 2 个可配置的i n p u t ，o u t p u t 端口，能输出最大2 0 m a 的电流； 第5 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 5 ) 两个8 位t i m e r c o u n t e r 和一个1 6 位t i m e r c o u n t e r ，具备定时、事件记数功 能，另外8 位的t i m e f f c o u n m r 还具备p w m 输出和d v o 输出功能； 6 1t b t ( t i m e b a s e t i m e r ) ，可以在1 k h z 1 6 k h z 的速度范围内发出中断请求： 7 1 一个可配置的w a t c hd o gt i m e r ； 8 ) 一个具备1 2 c 和8 - b i ts i o 工作模式的s b i ( s e r i a lb u si n t e r f a c e ) 通讯接口： 9 ) 达到1 0 位精度的8 路a d 转换模块： 1 0 1 两种晶振停振检测输出； 1 1 ) 两种省电工作模式：s t o p 和i d l e 模式； 2 2 存储空间地址安排 东芝处理器地址总线宽度为1 6 一b i t ，这样可以达到2 ”共6 4 k b 的寻址空间。所有 的i 0 和存储空间在整个地址空间上统一编址，在地址空间中映射了s f r ( s p e c i a l f u n c t i o nr e g i s t e r ) 、r a m 和r o m ，图2 2 一l 为其地址空间安排。 图2 - 2 1 东芝t l c s 一8 7 系列m c u 地址空间安排 第6 页共8 0 页 一h 海大学硕士学位论文 2 2 1 特殊功能寄存器s f r s f r 为系统的特殊功能寄存器，主要存放一些系统的端1 ：3 配置信息和控制信 号。用户通过在s f r 中对寄存器配置特定的值，可以配置硬件的工作方式。例如， 可以通过配置& h 0 9 寄存器来控制p l 口的每个引脚是输入还是输出。下面着重介 绍p s w 寄存器。 p s w 寄存器在s f r 中的地址为& h 3 f ，它 的组成如图2 2 2 所示，由j f 、z f 、c f 、 h f 和r b s 组成。其中高四位为标志位，r b s 为寄存器组切换标志。 图2 2 2p s w 组成 1 ) r b s ：为一个四位字节的单元，通过它我们可以灵活方便选择不同的通用寄存 器组，这样可以省却进出堆栈的时间。 2 ) h f 标志位：当指令操作时低四位由进位发生时，设置此标志位的值。 3 ) c f 标志位：当指令操作过程中有进位或借位时，将该位设置成“l ”，否则该 位设置位0 。 4 ) z f 标志位：当在指令操作过程中结果为0 时设置该标志位的值。 5 ) i f 标志位：j f 指示条件跳转指令是否可以跳转。当c f 或z f 设置成“1 ”时， 通常也将j f 设置成“1 ”。 2 2 2 r a m 空间的安排 r a m 空间的地址安排从& h 0 0 4 0 & h 0 1 3 f ，总共2 5 6 字节的地址空间，在r a m 的内部又可以分为以下不同的部分组成： 1 ) 内部通用寄存器组( g r ) ：包含a 、w 、b 、c 、d 、e 、h 和l 共8 个通用寄存器， 它们可以被大多数指令访问。同时组合起来可以作为1 6 位寄存器使用，其组 合方式为：w a 、b c 、d e 和h l 。 2 ) 通用寄存器组：对于通用寄存器，在r a m 空间中共有十六组，每一组都包含 了这样八个寄存器，通过更改p s w 中的r b s ，可以在不同的组之间进行切换。 3 ) 其他空问可以作为用户使用时的i 临时内存空间或堆栈使用。 第7 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 2 2 3 r o m 程序空间 在东芝t l c s 一8 7 0 8 0 9 b m c u 中，r o m 空间从h e 0 0 0 h f f f f 总共8 kb y t e 的空 间，它们由以下部分组成。 1 ) 中断向量表( h f f e o h f f f f ) ：该数据表包含包括r e s e t 中断在内的1 6 个 中断的中断服务程序入口地址。 2 ) 向量调用区域( h f f c o h f f d f ) ：该表格存放调用程序的入口地址( 2 字节 一个入口向量) 。 3 ) 页面调用区域( h f f 0 0 h f f f f ) ：该区域用于c a l l pa 指令调用时对应的程 序空间。 4 ) 其他空间可以作为汇编程序的空间或用户自定义的表格空间。 2 3 其它寄存器 2 3 1 程序记数器p c 程序计数器为一个1 6 位的寄存器，用来指示程序空间中指令运行的位置。当 初始化时，它指向h f f f e 空间，即系统的r e s e t 中断入口地址处。由于系统在指 令预取方面由流水线方式，所以p c 的值总是提前当前指令执行位置的前两个地 址。 2 3 2 堆栈指针 堆栈指针指示系统堆栈空间的最顶层的地址单元，它有1 6 字节长。堆栈在程 序调用和中断调用时作用非常重要，而堆栈的入口则只能通过s p 来确定。通过 s p 的值，我们可以顺利的完成p o p ( 出栈) 和p u s h ( 进栈) 的操作。 2 4 指令系统介绍 t l c s 一8 7 0 处理器支持1 2 9 种共4 1 2 条基本指令系统，如表2 - 4 1 。所有的指令长 度从1 4 字节不等，对于使用频率高的指令，指令系统采用长度较短的编码来提高 r o m 空间的利用效率。如处理器支持不同的调用指令c a l l ，有c a l l v 、c a l l p 和c a l l 。 第8 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 所有的调用指令都可以指向程序中任何地方，但c a l l v 的编码长度只有一个字节，而 c a l l 指令的长度为3 个字节。t l c s - 8 7 0 系列的m c u 都将所有的i o 口在s f r 的存储 空间映射，读写i o 可以通过l o a d s t o r e 方式实现，这样使得t l c s 一8 7 0 的指令系统 比较简单。 8 b i td a t at r a n s f e r ，e x c h a n g e9 t y p e s 4 6 ， t r a n s f e 1 6 - b i td a t at r a n s f e r , e x c h a n g e 6t 6 e x c h a n g e r e g i s t e rb a n ks w i t c h i n g 1 c o m p a r e 63 0 i n c r e m e n t ，d e c r e m e n t 1 8 8 - b i to p e r a t i o na r i t h m e t l c 2 09 2 l o g i c a l 1 s5 9 o p e r a t i o n d e c i r e a la d j u s t24 c o m p a r e 22 i n c r e m e n t d e c ，e m e n t22 6 - b i t o p e r a t i o n a r i t h n l e t i c88 l o g j c a l 66 m u i r j p l y ，d i v i d e2d s h i f t s h j f t 2 4 r o t a t e r o t a t e 2 d i b b l e i a n i o u l a t i o n s w a p n i b b l er o t a t e31 4 8 j t m a n i d u l a t i o n s e t , c l e a r c o m p l e m e n t e t c 1 7 5 3 。嚣恕。 33 j u m p s1 b b r a n t h c a l i s9 r e t u r n 33 p u s h ，p o p4 4 o t h e r s s o f t w a r ei n t e r r u p t n oo p e r a t i o n 22 t e t a i1 2 9t y p e s4 1 2 t r e g i s t e r - i n d i r e c t3 t y p e s j n d e x e d3 d i r e c t r e g i s t e r 1 i m p l i e d t l m m e d l a t e1 r e l a t j v e2 a b s o i u t e 1 v e c t o r 1 p a g e 1 d f e e t8 i td r e g i s t e r - i n d i r e c tb i t 1 t o t a i 2 0 t y p e 表2 - 4 2 寻址方式定义 表2 4 1 指令系统总表 所有4 1 2 条基本指令是4 1 种指令类型和2 0 种寻 址方式的组合，但并不是每一种指令类型都支持所有 的寻址方式，对于指令系统种重复较多、比较累赘的 指令则不予编码。在表2 4 2 和表2 4 3 中分别为指 令系统的寻址方式和指令种类。 第9 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 m n e m o n i c0 p e r a t i o n m n e m or l l c o p e r a t i o n a i ) 1 )a d d n o pn oo p e r a t l o n a d d ca d dw i t hc a r r y o rl o q i t e lo r a n l )l o c l i c a la n d p o p p o pu p c a l lc a l lp u s i ip u s h d o w n c a t i p p a g ec a l l i t k tr e t u r nf r o ms u b r o u t i n e c a l l vv e c t o rc a l ir b t l r e t u r n f r o m m a s k a b l e i n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n e c i 。hg e a rb y t e b i tr e t nr e t u r nf r o mn o n - r n a s k ab l ei n t e r r u p ts e r v i c et o u t i i g e c m pc o r n o a r er o l cr o t a t el e f t t h r o u g h c a r 叫f l a g c p l1 s c o m p l e m e n t t o i ，1 )r o t a t el e f t d i g i t i ) a a d e c i m a l a d j u s t f o r a d d i t i o n i t o r c r o t a t e r i g h t t h r o u g h c a t r y f l a g 1 ) a sd e c i m a l a d j u s t f o r s u b t r k d o nr o r i )r o t a t er i g h td i g i t 1 e cd e c r e m e n ts e ts n b i t 1 ) i d i s a b l em a s k a b l ei n t e r r u p ts h i c l o g i c a ls h i hl e f t w i t h c a r r y f l a g d i vd i v i d es i l r c l o g i t a ls h i f tr i g h t w i t h c a r r y f l o g e i +e n a b l ei n t e r r u p ts u bs u b t t a c t l n cj n c f e m e n ts u b bs u b t ，a c t w i t hb o r r o w j o 叫m i z a d j u m p s w p s w a pn i b b l 酊 j p a b s o l u t ej u m ps w ls o f t w a r ei n t e r r u p t j rr e l a t i v ej u m pt e 9 t t e n b i t j r ss h o r t r e l a t i v ej u m px c h e x c h a n g e w o r d b y t e j j j 】l o a d w o r d b y t e j b i t x o r l o g i c 自je x c l u s i v eo r 】wl o a dw o r d m c m pm a s k e dc o m p a r e m u i m u l d p l y 2 5 指令系统的编码 表2 4 3 指令的种类 东芝t l c s 8 7 0 系列m c u 的指令系统具备c i s c 的编码特征。在指令信息长度、执行 周期数目等方面都不相等。它的编码采用二元码规则，将使用频率高的指令用较短的 指令编码来实现。指令每增加一个信息长度，指令数目容量就增加一倍。 在表2 5 1 中，显示了在所有指令系统编码中第一字节所表达的含义。在第一个 字节编码中，除了表征指令操作信息的主码外，& h e o & h f 7 用来作为操作数前缀来对 指令系统进行扩展。在表2 5 2 和2 5 3 中，就是分别以& h e 8 & h e f 和h e o h e 7 、 & h f o & h f 7 作为前缀扩展的结果。 第1 0 页共8 0 页 圭塑查兰堡主兰堡堡苎 表2 - 5 一l 第一字节编码表 0 123 d 567 89aecd e f r m pmu ld ! vp o pp u s hd a a d a s l o on 能wa ，c l q c fs 玎c c 钆c ； 矗w , a哪c p j wp 5 wa 矗8 括1 cr fl 0 f r m nd e cr rs h l c s h r cr o l c r o r 【 w a：b d e h lw a b co e h lw a 8 ( 。d e ! h l aaa i h c f m t ll o m 口m jl o w ( m e m ) ，m “l do e c m e m jt 0 ( m e m l l oc m t m ) nc l r 阳鲫1 i 2 f x ) ：( h l )c x ) ：f h u ( x 】：( hl ) “f x i：c h l )：c h l lc x )：h l l： h l j l df n 3 a：w c 日!e- lh s ! f bc l r 【时b 4 0 1 1 ：2：3：4：5：5：70：1：z ：3 14：5：5：7 【d 直fl 0f 5 a ：w ：(： b：e ：d：l：ha：w ：c ：b：e：d：l：h l n c r d e c f 6 ! w ：c! 日 ： ：0：t：“a ：w !( ：81e0jlh d d ca d o川日bs u 8a n dx o ro r( mp a d d ca d dj u 驰到ba n ox o ro rc m p 7 na na a 屯n a n a n九n a f i a ma a ，( 0a a ， a ，恤)a 8 j r 5t d 9 a j r $ # j 8 cc a u v n j r “d l d ( f ( 订b 0 0 ，z ! n e z 4 l t ，c 5 e e f e e 。l e ：g t t f01 ：2：314 1 s67 s o u r c e e m o ho r e f i x ；0 哪 , e g d i e = p e r j x 。，9 i ：c p c a ) ： 。目：l h l ) ：f h l ，d ) ! c h l ，( i ：h l ) ：卜眦)a ， ：w ，b c ：c ，o e ：8 ，札： r ：d ：l：h d e ；b n a t i o n m e m or y p r e 融怛埘c uc a l l p f j iaj pm ns w l 埘：l o e j c hl ) 。l h l 。d ) !： h l + ) 【_ h u s pm m nn 说明：空白区域为未定义编码 第页茫8 0 页 上海大学硕士学位论文 表2 - 5 2 第二字节编码表( 寄存器前缀) 说明：空白区域为未定义编码，以下为前缀的含义 g g1 s t o p c o d e 、舱 e b b ce 9 d e e a h le b 第1 2 页共8 0 页 圭塑查堂堡主堂垡堡塞 表2 - 5 3 第二字节编码表( s r c d s t 前缀) 。 0 123 56789abcde f a o r o f t d o 扛哪田西 l d f d 吐) ”吣嵋( 1 哪 1 w a! b c：0 e 枇w a b c：d e 。h i i (l o l 0o e cl 0m ( n p 2 b r c 】埘扛f 曲 h d 扛r c ：时c )c d n ) n扛f 吨n 3 s e t 噼c ) bc l r ( s r c ) b 4 口： 1 ：2：4：5：6：70： ：2：3：4：s1517 l d 积xrl dr “r c l 5 ：w： c ： 8 ：e：o：l：h h ：w ：c：b：e：dl：h a o 。(a d d$ u b b5 u 8a n dx o rc m p 6“r c ) 扣c ) “r ) c r i 甜) ，b r n # r c l c s t y ：) ， f h l i( h l )f h uc h l l【h l )f h l i( h l ) f hl ) a i ) d ca d d$ 1 j b bs u ba n dx o ro rc m pa o i ) ca d d s u a 8s t 8a n dx o ro r( m p 7 扛r 0 n6 r c ) n知( 】nc “j ，n扛r c ) j 扛，c n6 r c l n ( s r c l ，na 任r 0屯b 哪曲曲 缸f c ) a ，c ”0 ( s r c )凡c r c )a ，8 f c ) 8 9 x c h ，。c s t c ) a a ：w ：c：b：d，l：h b c p l ( p c 】b l d “h ) b ( f c 0 ：1：2 ，：4：5- 6- 70 ：1：2：3：4：56：7 x o r ( f r 订上l 0 c f 扛f 0b d d ： 1 ：2 34s670 t ：21】：45-67 e f c a uj p c j r c lc ，k ) 说明：空白区域为未定义编码，以下为前缀的含义 ( s r e l1 s to i m o d e ( x )e 0 ( p c + a 1e l ( i ) e ) e 2 ( h l le 3 t h l + d )e 4 ( 1 i l + c )e 5 i n 。+ ) e 6 ( 一hl 1e 7 ( d s t )1 s to ! e d e ( x )f 0 ( i ) 酲)f 2 ( 1 l 1f 3 ( h l + d )f 4 ( h l + )f 6 ( 一h i )f 7 第1 3 页菇8 0 页 上海大学硕士学位论文 第三章系统电路设计实现 通过对t l c s 8 7 0 的整体功能分析，对要设计的工程进行功能划分，其总体结构图 如3 一卜l 所示。主要包括三个主要的部分： 1 ) 处理器模块：包括a l u 单元，处理器控制单元，指令译码单元和中断处理单 元，它们构成一个完整的处理器核。 2 ) 存储管理模块：用于在统一编址的模式下，采用三层存储结构来对系统的地 址空间进行统一管理。 3 ) 外围功能模块：是围绕处理器核的外围设备，可以满足系统的功能上的需求， 它们通过s f r 寄存器来与处理器的通信。主要包括定时器计数器，w a t c hd o g ， s b i ，a d c ，t b t 等功能单元。 第1 4 页共8 0 页 上海大学硕上学位论文 3 1 处理器核设计 3 1 1 指令译码实现 c i s c 形式的编码可以提高编码的效率，但是有很明显的一个缺点：指令信息 不能通过指令全部体现出来。如果将从程序r o m 中读出的指令直接交给控制部分 来译码执行，必然导致控制器十分复杂，所以在指令交给控制器之前对指令进行 译码，重新拼装成r i s c 形式的等长的长指令格式，在该长指令格式中包含了指令 操作所需要的所有的信息( 包括操作数，操作数长度，要进行的操作，回写的操 作等) ，控制逻辑接收到长指令信息以后，在状态机的控制下实现指令操作。 指令的译码读取在控制部分的控制下有三个过程：根据当前的p c 值将一条 a s m 程序( 通过指令长度的判断取出一条完整的指令) 从程序r o m 中读出来；将 得到的指令进行分解，得到具体的操作和操作数；然后将分解后的指令拼装成 r i s c 形式的长指令格式交给控制部分来执行。在上面的过程中我们需要根据当前 取出的字节信息来判断指令的长度，并取出一条完整的指令，在指令取出来以后 需要将指令的信息分解成各个独立的信息，然后将所得到的信息重新组装来形成 等长的长指令。这样我们就在指令系统的构成上实现了从c i s c 到r i s c 形式的转 化，为后面的控制实现和流水实现打下了基础。 1 ) 指令长度的判断 通过第二章中编码表的分析，所有立即数寻址( x ) 都是一个字节在0 0 f f 内寻址，n 和d 表示一个字节的数据信息，m n 表示双字节数据，由此我们可以 归纳总结出以下的关于指令长度判断表3 一卜l 。由于指令编码中有许多空白的 指令，所以对于能在该字节长度内判断出的无效指令，一律视为长度等于该字 节长度。如h f l ，我们能在一个字节长度就能识别出该指令为无效指令，所以 它的长度为1 。根据得到的指令长度判断表，我们就可以用来控制存储器取出 一条完整的指令。 表3 - 1 一l 指令长度分析表 第1 5 页共8 0 页 上海大学硕士学位论文 l 瀚麓黼粼鳓麟漾糕粼翮黼黼缫麟鬃鬻测粼懑燃黼戮辫缫黼徽黼黼 1 0 、1 3 ，1 8 l f请对应指令编码表 2 l ，2 3 2 7 ，2 9 ，2 b ，2 f请对应指令编码表 3 8 3 f无效指令 5 0 、6 fi n c d e c l dr ( a ) 8 0 、8 fj r st f ，a ：0 c f无效指令 d 8 、d f e 6 e 7 ，f 6 。f 9 f d无效指令 f fs 弹i 1 罐潮瀚黼粼鬻溯黼麟灞戮黼麟黧黼黼瀵剿黼戮溺黼戮鬻黼粼黼 第一罕节第二字节意义 2 0 ，2 2 ，2 6 ，2 8 ，2 a ，2 d ，2 e x ( o rn ) 请对应指令编码表 3 0 3 7nl drn 4 0 、4 fxs e t ( c l r ) “) b 7 0 、7 7 a d d c ( ) a ，n 7 8 、7 fx a d d c ( ) a ( x ) ) 0 、d 7d j rf f ，d ! i ，e 2 ，e 3 ，e 5n o t ( 2 27 8 、7 f ) )请对应指令编码表 e 8 e fn o t ( 3 8 、3 f5 0 5 7 ) g g g ? l ，f 2 ，f 3 f 5 n o t ( 2 c ) l d s t f b db rd 鬻瀚鬻瀚溅瓣鬻溺黼徽黼黼溅戮鬻麟渊黼谶麓鬃熬辫懑鬻黻 第一字节第二字节第三字节意义 1 4 、1 7nl dtrm n 2 5mn l d w ( h l ) ，m “ 2 exn l d ( x ) ，n 1 8 、e f5 0 、5 7n 请对应指令编码表 e 1 e 2 e 3 ，e 52 27 8 、7 fxo rnl d ( x ) ，( s lc ) 。 e oe 4xo idn o t ( 2 2 7 8 7 f ) 请对应指令编码表 f of 4xo rd n o t ( 2 c )无效指令 f i ，f 2 ，f 3 ，f 5 2 cn 请对应指令编码表 i a ，f c f emn 请对应指令编码表 i a f cf emn 请对应指令编码表 第一字节第二字节第三字节第四字节意义 2 4x ) kl d * ( x ) ，n m e oe 4 xo rd2 2 ，7 8 、7 f l d ( x ) ( s f c ) ， e 8 、e f3 8 、3 fmn g g g ? 0 ，f 4 xo i d2 c f n l d ( d s t ) ，r l 第j 6 页共8 0 负 上海大学硕士