（电力电子与电力传动专业论文）高性能嵌入式mcu内核设计与功能扩展.pdf

上海大学硕士研究生论文 a b s t r a c t i ti s v e r yc h a l l e n g i n gt od e s i g nam c u ，i ti s a ni n t e g r a t e d - a p p l i c a t i o nr e s u l to f m c u s y s t e m ，d i g i t a lc i r c u i td e s i g na n dm c ua p p l i c a t i o n t h et h e o r y ，t h em e t h o d s ， t h et o o l sa n dt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e si nt h ep a p e rh a v e b i gs i g n i f i c a n c ef o r r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fm c u ，a n dl a r g e ra p p l i c a t i o na st h ec o n t r o lu n i to fe m b e d d e d s y s t e m h i g hp e r f o r m a n c ey 8 0 5 1m c u w i t ho n ec l o c kp e rm a c h i n ec y c l ei n s t r u c t i o ns e t a r c h i t e e t u r ei s i m p l e m e n t e da f t e ra n a l y z i n gs t a n d a r d8 0 5 1 t h i si n s t r u c t i o nt i m i n gi s r e a l i z e db yu s i n gi n s t r u c t i o np r e f e t c ha r c h i t e c t u r ea n dt w o - p h a s ei n v e r s ec l o c k s t or e a l i z et h eh i g hp e r f o r m a n c ec p uo fy 8 0 51m c u ，t h r e em a i nt e c h n o l o g i e s a r e a d o p t e d ：h a r d w i r e c o n t r o l u n i t p a r a l l e l l ye x e c u t i n g a r c h i t e c t u r ea l uw i t h c o m b i n a t i o n a ll o g i cc i r c u i ta n di n d e p e n d e n tm o d u l e p r o c e s s i n gt h em u l t i p l i c a t i o na n d d i v i s i o n t h ei n t e r r u p tl o g i cs y s t e mh a s1 4i n t e r r u p ts o u r c e sf o ri m p r o v i n gr e a l t i m e c o n t r o l l i n g i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e do f s y s t e mb u s ，i m p r o v e ds i n g l e b u sa r c h i t e c t u r eb u s s y s t e ma n dd u a l - p o r ts r a m a r ea d o p t e dt or e a l i z et h ew r i t i n ga n dt h er e a d i n go fd a t a m e m o r yi no n ec l o c k t h e t h o u g h to fa c c e s s i n g16e x t e r n a ls r a m a d d r e s ss p a c ei s p u tf o r w a r da n dr e a l i z e dt h e p o r t oi sr e a l i z e db yu s i n ga s y n c h r o n o u sc i r c u i t w d t ，w h i c hh a st w or e f r e s hf u n c t i o n sa n dt w o - s t a g et i m e r ，i sr e a l i z e dt o i m p r o v e t h es y s t e ms t a b i l i t yi ny 8 0 51m c u d e s i g nt h e o r ya n dv e r i f i c a t i o na r ed i s c u s s e dd u r i n ga n a l y z i n ga n dr e a l i z i n gt h e a r c h i t e c t u r eo fm c u s y s t e m t h ey 8 0 5 1m c us y s t e mi ss u c c e s s f u l l yv a l i d a t e di n t w oa p p l i c a t i o ns y s t e m s b yf p g a i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h ew o r k so f d e s i g ny 8 0 5 1m c u a r ec o n c l u d e d a n dt h e s h o r t c o m i n g so fy 8 0 5 lm c ua r ep r e s e n t e d s o m ee x p e c t a t i o n so nh o w t oi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fy 8 0 5 1m c ua r e b r i n g e d f o r w a r df o rf u r t h e r i m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fy 8 0 5 1m c u t h i s p a p e r c o n t r i b u t e sf u r t h e rr e s e a r c h e sa n d p r a c t i c e s o fm c us y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nt h e o r yo fd i g i t a ls y s t e mt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f s o co f v s p r s k e y w m + d ：m c u ，c p u ，b u s ，w d t ，f p g a 上海大学碰士研究生论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 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 己发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所 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。 签名：徽日期丝：三乡 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 扯嘲丝竺：幺 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 11 3 2 3 ) 计算机视觉及其芯片化实现 上海大学硕士研究生论文 致谢 值此论文完成之际，首先我要衷心地感谢冉峰教授，冉老师在百忙之际依 然关心着我的课题研究，为我创造出良好的学习工作环境。我还耍衷心地感谢 胡越黎副教授，在两年的学习和生活期间。胡老师不仅在学业上给了我巨大的 帮助，还教会了我许多好的学习方法使我收益匪浅，而且在生活上给予莫大的 关怀。胡老师严谨的治学态度，勤勉的工作作风以及敏锐的洞察力给我留下了 深刻的印象，将使我在学业上和生活上受益终生。 感谢微电子研究与开发中心的的程东方、汪东旭、郑昌陆、陈章进、李 明、杨松华、杨文荣等老师，感谢他们在工作中提供了大力帮助。 感谢赵燕、朱良晨、许燕、盛强、郭腊梅、闵敬国等同学。感谢他们在课 题研究和论文编写中给予的大力帮助。 感谢上海市科委自然科学基金项目( 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( 计算机视觉及其芯片化实现) 对本文的支助。 感谢上海大学微电子研究与开发中心和上海上大众芯微电子有限公司为本 课题研究提供研究支持。 最后感谢我的父母，他们一直来对我的支持和鼓励，是我完成学业和论文 的坚强后盾。 姓名：梁志坚 日期：2 0 0 4 年2 月2 日 上海大学硕士研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 电子信息技术和产业是国家综合实力的重要支柱，是经济发展的重要推动 力，是科学技术先进代表。而微电子工业则是电子信息技术和产业的基石，其 中集成电路( i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计是其整个工业核心。 随着i c 制造工艺技术飞速发展，芯片集成度越来越高，性能越来越强。芯 片设计方法和设计工具也随之发生巨大变化，其中数字芯片设计采用硬件语言 描述设计作为最主要的方法，特别是在设计规模超百万门级时更是如此。 此外，随着i c 技术的飞速发展，c p u 、m c u 、存储器等性能越来越高，成 本越来越低。许多消费电子设备已嵌入c p u 或m c u ，并成为所谓的嵌入式系 统。嵌入式系统可划为三部分：嵌入式软件、嵌入式处理器( 包括m c u 、 c p u 、d s p 等) 、嵌入式存储器。今天，嵌入式系统已被应用于各类领域。 m c u 是集成电路制造和计算机系统集合的产物，为计算机的推广、应用开 辟了更为广泛的空间，使自动控制领域发生了一场重要的技术革命。 1 2 微控制器的发展与现状 1 9 8 0 年，i n t e l 公司推出了一款功能强大的8 位m c u ：标准8 0 5 l 单片机。 由于有着强大的功能，以后8 0 5 l 系列m c u 得到许多m c u 公司致力开发，在 性能上得到巨大提高，在工业控制和测试等方面随后得到广泛使用，为其应用 取得重要地位i “。 目前m c u 正朝着多功能低功耗低成本的高性能方向发展，应用范围越来 越广泛，特别在嵌入式系统中占据重要地位，其发展已经逐步走向成熟。一 方面，性能更高、功能更强的高端m c u 继续发展；另一方面，由于采用新技术 和新工艺8 位m c u 的性价比越来越高，被广泛应用于各种领域中l 3 1 。 虽然目前高端m c u 的应用正在走热，但8 位m c u 在工业控制还是具有一 定市场，特别是在低端嵌入式应用中依然是主力军。高集成度已成为8 位m c u 上海大学硕士研究生论文 一个最重要的发展方向，如1 9 9 9 年c y g n a l 公司推出c 8 0 5 1 f 系列集成了闪存、 j t a g 调试接口、1 6 位a d c 等器件，把单片机从m c u 带入s o c 时代。 1 3 本文主要研究工作 1 3 1 课题目标 “机器视觉及其芯片实现研究”课题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。采用片上系统( s y s t e m o n c h i p - - s o c ) 技术将整个皮肤测试、诊断系统集成在一片芯片上，实现单芯片智 能皮肤诊断。本课题是机器视觉及其芯片实现研究一部分，研制适用于机器视 觉s o c 实现的高性能嵌入式m c ui p 核，完成机器视觉系统的控制功能。 1 3 2 课题内容 作为机器视觉系统中高性能嵌入式m c u ，m c u 需具有实时性、稳定性、 低功耗、能处理大容量数据的功能。本文研究的m c u 所要求的性能有：高性 能的指令系统，兼容标准9 0 5 1 指令系统；1 6 m 外部数据存储器寻址，实现机器 视觉图像处理的大容量数据处理；w d t ，增加系统的稳定性和可靠性。论文将 从系统体系结构分析、设计、仿真验证三个主要方面进行阐述，对系统在设计 过程中遇到的问题以及问题解决、系统不足及改进、展望都将进行详细的阐述。 1 3 3 课题意义 本文设计的m c u 将用于机器视觉系统中作为嵌入式m c u ，它的实现为机 器视觉系统的s o c 实现提供了具有自主知识产权的m c u i p 核，为以后进一步 研究创造了良好的基础，提供了宝贵的经验，具有很高的科学研究意义和广泛 的市场应用价值。 2 上海大学硕士研究生论文 1 3 4 本人工作 本人参与设计了一款用于机器视觉系统的4 时钟机器周期指令体系结构的 高性能8 位m c u s d z xm v 0 1 。s d z xm v 0 1 于2 0 0 3 年1 2 月1 曰参与上 海集成电路设计中心( i c c ) 的多项目晶园流片( m p w ) ，使用上华0 6 的工 艺线流片( 见附图1 ：s d z xm v 0 1l a y o u t 图) 。在参与设计s d z xm v 0 1 中， 本人主要负责s d z xm v 0 1 的数据通道设计、w d t 的设计、1 6 m 外部数据存 储器寻址设计以及系统仿真、综合后仿真、布局布线后仿真。 在熟悉m c u 硬件结构和s d z xm v 0 1 体系结构的基础上，本人设计出一 种单时钟机器周期指令体系结构的高性能y 8 0 5 1m c u 。 本人设计y 8 0 5l 时的主要研究工作有： 1 采用并实现了一种改进的高性能y 8 0 5 l m c u 的单时钟机器周期指令体系结 构。指令时序上采用指令预取和双相正负相反时钟技术，硬件上采用众多当 前设计成熟技术和新技术； 2 在实现单时钟，机器周期的高性能c p u 中，采用具有译码速度快特点的硬布 线逻辑结构控制器实现y 8 0 5 l 控制器功能；采用并行运算结构的运算单元实 现a l u ，其中运算单元都采用运算速度高的全组合逻辑电路实现：提出独 立于a l u 的快速的乘法除法模块结构，采用一般迭代算法，可在4 个时钟 内完成y 8 0 5 1 乘法和除法指令的操作；硬布线逻辑控制器、并行运算结构的 a l u 、独立的乘法除法模块是实现系统单时钟，机器周期体系结构的重要结 构； 3 采用高速的改进的单总线结构实现y 8 0 5 l 总线系统。其中系统总线中的数据 总线和地址总线都采用单向结构各分源和目的总线，共5 组。外部总线直 接通过i o 接口连接c p u ，提高了外部访问速度。改进的单总线结构总线是 实现系统单时钟机器周期体系结构的另一重要结构； 4 提出并实现了可实现外部1 6 m 数据存储器寻址的外部总线方案，设计出一 种异步电路实现了p o r t o 口的分时复用功能；提出了一种指令预存方式实现 m o v x 指令的下一条指令的读取，保证了指令预取的统一性，提高了系统 的整体性能： 5 提出并实现了具有独创性的可编程的两种刷新功能和双级计数器结构的 上海大学硕士研究生论文 w d t ( w a t c h d o gt i m e r ) ； 6 设计了一种具有指令测试和功能模块测试的完善的软件测试平台； 7 提出了一种适用于f p g a 硬件验证的y 8 0 5 1 系统验证方案。 y 8 0 5 1 具有的主要特性有：单时钟机器周期指令体系结构；2 5 6 字节内部 数据存储器寻址：1 6 m 字节的外部数据存储器寻址：6 4 k 字节的外部程序存储 器寻址：支持1 4 个中断源；两个1 6 位定时计数器；全双工串行口；w d t 。 设计一种单时钟机器周期的m c u 是极具挑战性的，是计算机体系结构与 数字电路理论、数字系统设计方法与理论实践的综合运用。本文提出的设计思 想、设计方法、运用的手段和工具、给出的实际硬件实现，具有一定的的先进 性和独创性对m c u 核的研究与设计具有很高的科研意义和实用价值，设计的 y 8 0 5 l 核作为嵌入式系统的控制单元具有广阔的市场应用前景。 1 。4 内容安排 论文主要介绍本人所研究设计的单时钟机器周期y 8 0 5 lm c u 系统，全文 共分为7 章，从系统分析，到总体思路、系统的硬件电路设计、系统的仿真验 证实现，最后到系统不足与展望都将进行详细的介绍。 第一章是对m c u 的总体介绍。概括了本文主要研究的内容，本人的主要 工作及行文的整体安排。 第二章是提出了整个y 8 0 5 1m c u 的系统结构设计思路。单时钟机器周期 的指令系统与指令时序，y 8 0 5 1 硬件结构。 第三章详细阐述了y 8 0 5 1m c u 的c p u 设计实现，分c p u 中的控制器、数 据通道、中断系统三部分重点阐述。 第四章详细阐述了y 8 0 5 1m c u 中支持单时钟机器周期指令系统的改进的 单总线结构，包括内部总线和具有1 6 m 外部数据存储器寻址的外部总线。 第五章具体阐述了w d t 的设计与实现。提出了具有独创性的两种刷新功能 的模式。 第六章详细阐述了芯片设计方法学和验证、y 8 0 5 1 综合和f p g a 验证。 第匕章讨论了研究与设计过程中遇到的问题，提出了y 8 0 5 1m c u 的不足， 并对进一步的研究与设计提出了一点看法和展望。 上海大学硕士研究生论文 第二章 y 8 0 5 1m c u 系统分析 计算机系统包括它的指令系统、硬件体系结构。指令系统是一个计算机系 统的基本系统。硬件体系结构是指用户所能看到的计算机系统硬件设备。 2 1y 8 0 5 1m c u 指令系统简述 指令系统是计算机系统硬件的语言系统，表征了计算机系统的基本功能， 不仅决定了计算机所要求的能力，i f ；l 决定了指令格式和计算机结构【4 】。 y 8 0 5 l 指令系统兼容标准标准8 0 5 1 指令系统。但为了适应新的市场要求和 探索学术研究价值，本文对众多高性能8 0 5 1 进行了深入地研究，对指令时序进 行了新的设计，设计出一种改进的单时钟，机器周期的指令体系结构，使得 y 8 0 5 l 具备高速的指令执行的特点，适合作为嵌入式系统的高性能m c u 。 单时钟机器周期指令体系结构的y 8 0 5l 指令系统特点是； 1 一个机器周期占用一个时钟( 见图2 一1 ) ； 2 一般隋况下，指令的机器周期数等于指令的字节数。特殊的一些指令因 操作需要，其机器周期数较指令码多，具体见附表1 。 2 2y 8 0 5 1m c u 指令时序分析与实现 2 2 1 指令时序简述 指令执行是指一系列的连续的执行操作，包含指令码的读取、译码、操作 数的读取、执行、写回，需要一个或几个机器周期完成，每一步的操作都是基 于指令的类型和硬件的结构1 5 i 。 指令时序就是指令完成这些操作的时序。指令时序包含信息有时钟周期、 机器周期和指令周期1 6 1 。时钟周期是单片机振荡器o s c 的振荡周期，是指令时 序中最小时间单位，控制单片机节奏。机器周期是按顺序重复执行完整的动作 或过程所需要的最短执行时间，通常由若干时钟周期构成，单片机的机器周期 是指令时序的时间单位。指令周期指完成一条指令所需时间。 标准8 0 5 1 机器周期有1 2 个振荡时钟，而y 8 0 5 1 机器周期则只有1 个振荡 上海太学硕士研究生论文 时钟( 见图2 1 ) 。y 8 0 5 1 机器用期的时钟节拍分为c n p l 和c n p 2 ( c n 是当前 执行的指令的第1 1 个机器周期，p l 是时钟的高电平，p 2 是时钟的低电平) 。 厂- r 1 0 2 55 l d ch l n oc 1 一 s l p ls i n啪is # 21s p 1s _ p l s 5 p 2 s 6 p 1s 啪 r r r r r r 日o 。叫u _ uuul jl _ jul _ul ju 豳2 - 1y 8 0 5 1 m c u 和标准8 0 5 1 机器周期 2 2 2y 8 0 5 1m c u 单时钟，机器周期指令时序设计 实现革时9 1 , 机器周期的指令时序是y 8 0 5 1 指令系统设计的研究重点，也是 y 8 0 5 l 核的大特点。 一、指令码的读职 y 8 0 5 】指令码读取时序具有两个特点是：单时钟，机器周期时序；指令预取 的流水线结构( 见图2 2 ) 。 单时钟机器周期时序特点是t1 个时钟内完成一次指令码的读入和下一条 指令码地址的发出。 p 兰型竖二竺! 竺竺型竺! ! ! 墨旦! ! 竺! ! ! 型! 竺2 竺型鬟 图2 - 2y 8 0 5 1m c u 单时钟机器周斯基本时序 阁2 - 2 中，指令码的地址发出和指令码的读入不是在同一个对钟边沿，而 6 上海大学硕士研究生论文 是错开的。指令码的读入在时钟节拍上升沿，而下一个指令码地址是在前一个 指令码读入后经过一定延时后再发出的。本文采用异步电路实现这种延时( 见 “4 31y 8 0 5 lm c u 外部总线组成和时序”) 。在a l t e r a n i o s 板f p g a 验证 时，本人使当前指令码地址在前一个指令码读入后的大致8 n s 处发出。 图2 2 中，地址锁存信号a l e 和r o m 选通信号p s e n 时序是一样的，都是 半个时钟节拍翻转。指令码因r o m 内部延时需要经过一段时间( 见图中t p o ， 一般有1 0 0 n s ) 才能到达p o r t o 口上，并有效。如果a l e 在t a o 时间段内锁存住 地址，r o m 中读出的数据就是当前地址所指的有效指令；如果a l e 在t o i 时间 段内锁存住地址，r o m 中读出的数据就将和p o r t o 发出的地址相冲突，从而得 到意想不到的数据和地址。本文设计的a l e 和p s e n 时序差t 5 n s ( 在a l t e r a e p e x 2 0 k 2 0 0 e 中时钟为1 6 m h z 时，测得t ) ，所以上图中a l 正和p s e n 的一个 时钟时序可以完成对外部r o m 的读取。 指令预取流水线结构是指下条指令码在当前指令码所占的机器周期发出 地址，并读入c p u 中( 见图2 ，2 ) 。图2 3 给出了y 8 0 5 l 指令操作码的预取结 构。 图2 3 指令操作码的预取结构 二、指令执行 指令操作码读入后，c p u 紧接着进行指令译码操作，产生所有的译码信 号。y 8 0 5 l 的控制器采用了硬布线逻辑结构，这种结构具有速度快的特点，不 需额外的时序，满足单时钟机器周期的要求。 数据回写是数据操作完后，c p u 把结果写进存储器中的过程。在y 8 0 5 1 中，除外部访问数据存储器指令m o v x 、调用指令l c a l l 和a c a l l 外，数 据回写都在指令周期的最后一个时钟节拍c n p 2 进行( 见图2 4 ) 。 y 8 0 5 1 采用双相正负相反的时钟实现指令执行的时序。在时钟上升沿处的 操作有；读入指令码、写数据存储器。在时钟下降沿处的操作有：源地址和目 的地址、写数据存储器r a m 或寄存器s f r 的使能信号、产生程序计数器p c 。 上海大学硕士研究生论文 k = ! 墼望璺塑 h 二! 垫苎璺塑 1 c l p i c l i ：2d i p l c i p 2 一r r 一 x t a l i j l + 。+ 一l 。一 ，_ 写8 “”7 5 f r i ：【 d e s t i 删t a 二二二二二二= 二二耍墅趣耍雯二= 【= 二二二二 d e s t i n _ a d d r 二二二二二d e s t i n l a d d r 7 ：o x - 二二二二二二 叫! 教据回写信号产生j敬据写入r a m s f r r a m s f r 图2 - 4 指令执行结构 2 2 3y 8 0 5 1m c u 典型指令的执行时序 y 8 0 5 1 的指令体系结构最重要的特点是单时钟机器周期的指令时序。下面 通过典型指令a d da ， r i 来说明y 8 0 5 1 的指令时序特点( 见图2 - 5 ) 。 1 竺! 竺! 竺! ! ：竺：! ：竺：! ：；竺! 竺! ：l 二! 竺! - 竺! ! ! ! 竺叫 h 一十h 一叫 l j j i l ： r i jij j i a d ：it ：o o p c o de ：i a d r e $ s 7 ；o l x o p c r a n d 棚j i 饿盖警 m ”s - t 下一条指夸操下一* 指争* 作码地址摊出作娼地址瑶 iy a d r e s a 15 ：日】 ； a d s 1 1 5 ：b 】 。 指争便职阶段 一0 鹰驭。眦中数据；1 指争执行 译码阶段 ：l i r i 地址 ! x i 间接地址 x xi x 计算结摹 l u r e s u l x 。 产生回写信号阶艘 、写 r h xd e s t l n d 1 时钟上丹梧写数据 图2 - 5y 8 0 5 1 中a d da ， r j 指令的执行基本时序 a d d a ， 硒是一条单字节单周期的加法指令。指令操作码包含了大部分的 操作信息，操作类型。操作数的地址，目的地址。图2 - 5 给出了此指令的基本时 序，指令操作码在上一条指令的最后一个机器周期末读入指令寄存器并译码， 得到所有的控制信号。在c i p i 节拍完成地址固r i 中操作数的读取，读a i r i 中 的数据r i d a t a 。在时钟下降沿，即c 1 p 2 开始处，根据r id a t a 产生的源 地址s o u r c e a d d r 和目的地址d e s t i na d d r ，读取r a m 中数据到a l u 口 ， 址 旺 瓢 龇 ；耋 枇 上海大学硕士研究生论文 中执行加法得到结果a l u _ r e s u l t 。在c 1 p 2 节拍产生回写累加器a c c 信号， 在指令周期末a l ur e s u l t 写进累加器a c c 。此外，c p u 在c 1 p 1 发出下一 条指令的操作码地址，预取下一条指令的操作码。 k 垫竺竺竺 i l p l s 1 p 2 | p 1 5 2 p 2 i p l 5 3 p 2 i p l5 4 咒| p ls 5 尸2 l p ls 6 f 1 2 | p l 引咒 p l s 2 p 2 i r 广 广1 厂 广 厂 厂 厂 厂 厂 广 厂1r 厂 n 门门 l e 厂 厂 厂 谣下一十摊惰码( 丢掉) - 露撩怍码即p c 不增“i ” 耋下一个操作码 rr广 兰工二 二二工兰 二二 二曲： k 一 a d d 帅i 指争执行的时钟宽座 图2 - 6 标准8 0 5 1 中a d da ， 硒指令执行基本时序 a d d a r i 指令在标准8 0 5 1 执行的时序见图2 - 6 n x c e e , m2 - 5 和图2 - 6 ， 可知标准8 0 5 1 中有一半的机器周期宽度是空闲的。标准8 0 5 1 完成a d da ， r i 指令需要6 个时钟，这主要是因为标准8 0 5 l 内部采用了微程序控制器、双向的 单总线结构和单口的内部数据存储器。而在y 8 0 5 1 中，采用硬布线逻辑控制器、 改进的单总线结构和双口的内部数据存储器实现a d da ， r i 在1 个时钟内整 个指令的执行( 见图2 5 ) 。 y 8 0 5 l 的单时钟，机器周期的指令时序通过f p g a 验证，证明了y 8 0 5 1 的单 时钟机器周期指令体系结构是可行的。 2 2 4y 8 0 5 1m c u 指令时序特点总结 y 8 0 51 采用单时钟机器周期体系结构，所以在指令时序上具有它自身的特 点，可总结为四大特点： 1 单时钟“几器周期； 2 一般情况下，指令的机器周期数等于指令字节数： 3 指令预取流水线结构； 4 指令时序采用双相正负相反时钟。 本文提出的单时钟机器周期指令体系结构最终在应用系统通过f p g a 验 证，并取得很好的结果，具有一定的科研意义和市场价值，具有定的创新性 和很好的实用性。 上海大学硕士研究生论文 2 3y 8 0 5 1m c u 组成和结构 计算机系统的性能是由硬件和软件共同决定的。硬件性能可通过采用更好 的工艺，改进结构以及有效的硬件组织来提高，但是通过软件提高计算机系统 性能就较难，因为软件对应用条件的依赖性很强，所以提高硬件性能是计算机 发展的主要方式f 7 j 。 如何设计和组织复杂的计算机系统，层次化设计是解决这个问题的关键。 在每一层次，功能和结构则是设计者所关注的阢 计算机系统的功能是指系统的运行方式，可归纳为4 种基本功能：数据处 $ ( d a t ap r o c e s s i n g ) ；数据存储( d a t as t o r a g e ) ；数据传输( d a t am o v e m e n t ) ；控制 ( c o n t r 0 1 ) 吼 计算机系统结构是指系统组成模块的连接方式。根据计算机的基本功能， 计算机的顶层结构由4 个主要模块组成1 5 1 ：c p u ：m a i n m e m o r y ：v o ：s y s t e m b u s 。计算机系统划分成子模块后，还可以继续根据功能将子模块划分成更小的 子模块，比如c p u 可以划分成4 个主要子模块：控制器( c o n t r o lu n i t ) 、寄存 器堆( r e g i s t e r s ) 、运算器、c p u 总线( c p ub u s ) 。 2 3 1y 8 0 5 1m c u 组成和结构 单片机系统是集成在一片芯片上的一个微型计算机系统。本文根据8 0 5 1 m c u 的功能和结构特点，将y 8 0 51m c u 划分成图2 ，7 所示的硬件结构。 图2 7y 8 0 5 1m c u 硬件结构 上海大学硕士研究生论文 c p u 和总线是实现y 8 0 5 1 单时钟，机器周期的两个重要结构，在作深入研究 后，c p u 和总线采用了具有高速性能的结构进行设计，使得y 8 0 5 1 单时钟机器 周期的指令体系结构得以实现。 一、y 8 0 5 1 c p u y 8 0 5 1 采用硬布线逻辑控制器、并行执行结构的a l u ，独立的乘法除法模 块三个主要技术实现其高速的c p u 。根据图2 7 ，在此简单介绍y 8 0 5 lc p u 内 部硬件结构，具体的设计实现将在后面的相关章节详细阐述。 ( 1 ) c o n t r o l u n i t ：采用硬布线逻辑控制器。由中断控制逻辑( i n t e r r u p t c o n t r o l l e r ) 、时序节拍发生器( t i m i n gg e n e r a t o r ) 、译码器( d e c o d e r ) 弄1 硬布 线逻辑( h a r e w i r e dl o g i c l 组成。 ( 2 ) r e g i s t e r s ：r e g i s t e r s 为c p u 提供存储器功能，由两部分组成： 用户可见寄存器( u s e r v i s i b l er e g i s t e r s ) ：用户可见寄存器是用户可以操作 的寄存器，有累加器a c c 、通用寄存器b 、程序状态字p s w ，数据指针 d p t r ，数据存储器页地址d p t r _ p a g e 和堆栈指针s t a c kp o i n t e r 。控制和 状态寄存器( c o n t r o l a n ds t a t u sr e g i s t e r s ) ：控制和状态寄存器提供c p u 运 行的控制信号和数据，是用户不可操作的，有程序计数器p c 、程序地址 寄存器p a 、指令寄存器i r 、m s a rf m e m o r ys o u r c ea d d r e s sr e g i s t e r s ) 、 m d a r ( m e m o r y d e s t i n a t i o na d d r e s sr e g i s t e r s ) 、m s d r ( m e m o r ys o u r c ed a t a r e g i s t e r s ) s 1 1m d d i u m e m o r y d e s t i n a t i o nd a t ar e g i s t e r s ) 。 ( 3 ) 数据通道：处理单片机中几乎所有的数据处理，主要由并行执行结构 a l u 、独立的乘法除法模块、p c 控制器以及数据存储器接口逻辑组成。 二、y 8 0 5 1 改进的单总线结构总线系统 y 8 0 5 1 采用改进的单总线结构实现其总线系统，由c p u 总线、系统总线、 外部总线组成。 y 8 0 5 1 系统总线结构和标准8 0 5 1 不同，采用单向结构，由源数据总线、目 的数据总线、源地址总线、目的地址总线、控制总线组成( 见图2 7 ) 。而在标 准8 0 5 1 中系统总线只有3 组总线，即数据总线，地址总线和控制总线各一组， 且数据总线和地址总线是双向，需要方向转换器转换数据流的方向。 上海大学硕士研究生论文 y 8 0 5 1 系统总线是实现y 8 0 5 1 单时钟，机器周期体系结构的重要结构，极大 地提高了数据传输速度。y 8 0 5 1 外部总线直接连接c p u ，提高了外部总线的速 度。 对设计者来说，图2 7 的结构图在最终进行设计时将被划分成能可以进行 硬件语言r t l 级描述的结构层次上( 见图2 8 ) 。在这种结构上，各模块都是 功能独立的，并通过各模块的接口连接成一个完整系统：y 8 0 5 1m c u 系统。 图2 - 8y 8 0 5 1m c u 硬件结构图 上海大学硕士研究生论文 第三章 y 8 0 5 1m c u 的c p u 结构组成与实现 c p u 是计算机系统最重要的单元，它体现系统的主要性能，是实现y 8 0 5 l 单时钟机器周期结构的重要结构，y 8 0 5 1 的c p u 具有自身非常的独特性。 3 1y 8 0 5 1m c u 控制器设计 3 1 1 控制器原理 控s t i l l ( c o n t r o lu n i t ) 是控制信号的产生部件，根据指令操作码和时序信号产 生各种操作控制信号，以建立正确的数据路径，从而完成指令的执行控制5 i 【引。 根据设计方法不同，控制器可分微程序控制器和硬布线逻辑控制器。 一、微程序控制器 微程序控制器是采用存储逻辑技术来实现的，主要由控制存储器、微指令 寄存器和地址转移逻辑组成( 见图3 - 1 ) 1 8 。其工作过程是：从控制存储器中读 出一条微指令，执行这条微指令：再读出下一条微指令再执行，。 a ) 微器序控制器 ( b ) 硬嘲缝j ! 辑控制器 图3 - 1 控制器原理框架图 二、硬布线逻辑控制器 硬布线逻辑控制器是采用时序逻辑技术来实现的，主要由指令译码器、时 序节拍发生器和硬布线逻辑电路组成| 8 】o 指令译码器对指令寄存器中指令进行 译码。时序节拍发生器用来产生指令执行所需的时序节拍，用于控制指令状态 上海大学硕士研究生论文 的变化。硬布线逻辑电路产生的控制信号c n 是指令译码器输出i m 、时序信号 t k 和状态条件信号b j 的布尔逻辑函数，由逻辑门实现，即： c = f ( i r a , m i t k b j ) 如：c 2 = 1 3 t 5 + b 1 t 5 表示控制信号c 2 在时序节拍t 5 有效。 三、微程序控制器和硬布线逻辑控制器比较 微程序控制器和硬布线逻辑控制器因具体结构不同而在实现，面积和性能 上有差异弘i ： ( 1 ) 实现：微程序控制器的控制功能存放在规则的控制存储器，而硬布线逻辑 控制器则由逻辑门组成。微程序控制器修改时更换控制存储器就可以。硬 布线逻辑控制器的控制信号由译码器译出，其电路由逻辑门组成，较为紊 乱，修改较微程序控制器困难。 ( 2 ) 面积：微程序控制器由于使用存储器存储微指令，而硬布线逻辑控制器由 逻辑门实现控制，故微程序控制器较硬布线逻辑控制器面积较小。 ( 3 ) 性能：在相同工艺条件下，微程序控制器速度比硬布线逻辑控制器慢，因 为每微指令要从控制存储器中读出，影响了速度，而硬布线逻辑控制器主 要取决逻辑门的延时，速度较快，在高速控制器和r i s c 中往往被采用。 对于y 8 0 5 l 单时钟机器周期的指令系统，最短的指令所执行的时间只有1 个时钟，若采用微程序控制器则没有足够的时间宽度完成的指令操作，所以利 用硬布线逻辑控制器的速度快的特点实现y 8 0 5 1 所需的控制功能。 3 1 2y 8 0 5 1m c u 指令时序节拍发生器 状态机和多时钟两种体系结构是实现指令时序节拍发生器的主要形式。 一、有限状态机体系结构 状态机体系结构指在有限状态机状态转移过程中的不同状态上发出相应控 制信号并分部于整个数据路径，每个当前状态下产生的控制信号组成了一个有 条不紊的控制流，严格地控制着整个系统的运行。 在数字系统中，用有限状态机( f s m f i n i t es t a t em a c h i n e ) 来控制信号序列 是最为常见的一种方法。根据状态机的输出与输入和当前状态的函数，有限状 上海大学硕士研究生论文 态机可分为m o o r e 状态机和m e e l y 状态机( 见图3 - 2 ) 。 。图雌sequentia特l c o m b u n a t i o n a 厂。i n 磊。j 焉t 一一一三一i c 。0 9 i 。1 图3 - 2 有限状态机模型 二、多时钟体系结构 当控制信号产生和分布条件是由多时钟网络内相应有效同步电平决定时， 则称为多时钟体系结构1 9 i 。在基准时钟的同步下，控制信号是多时钟网络内不 同时钟的电平函数。 l ! ! ! 生 f 竺! 竺! 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂1 厂 a h1 0 0 n2 一 广n c o n4 厂t 控制信号控制信号 罗佑号l 碧” 控御信号控制信号 空闲抗志 i 丘一t i ( s i 一s 2 、 i l hs3 、s3 、p s 一j 1 图3 - 3 多时钟体系结构模型 图3 - 3 中的c l o c k1 - c l o c kn 是分布在系统中的时钟网络，每个时钟 c l o c k j 保持一个时钟宽度的高电平，由一个m o o r e 有限状态机根据指令产生， 如果指令的指令周期有1 2 个时钟宽度，则n 等于1 2 。控制信号由相应的 c l o c k j 和需要的译码器出来的译码信号c o n _ i 共同产生，所以宽度也是一个时 钟宽度。在这些时钟网络中可以插入空闲时钟作为等待状态，在这个等待状态 期间不会产生控制信号，图3 - 3 中c l o c k3 就是一个空闲时钟。 多时钟体系结构的时钟网络的产生是由指令的周期类型决定的，而不是具 体指令，所以状态转移空间较状态机体系结构为固定。s 1 s n 是状态机的状态 变化图，主要在此说明两者在执行时序上是统的。 1 2 - 誊 诎一 _ 季一 c c c 螂州 l c c c 上海大学硕士研究生论文 三、有限状态机体系结构和多时钟体系结构差异 状态机体系结构和多时钟体系结构差别是由各自的状态空间的周期性决定 的，并由此导致了以下四个主要方面的差别1 9 1 i ”l ： 1 工作效率不同： 数字系统工作效率可用有效执行时间和全部所需时间的比率来衡量： 1 1 = t w 散t 总， t 冗余= b 一t 肓馥 多时钟结构中每个时钟节拍都有固定的时间结构，所以为适应不同的状态 转移，需要在状态转移过程中预留一定的时间，导致冗余状态出现。图3 - 3 的 c l o c k3 就是一个冗余状态。而状态机结构中的下一个状态则是直接由状态转移 函数计算得出，一般不会存在t 。# ，其工作效率比多时钟体系结构的商。 2 扩展性不同： 多时钟体系结构扩展时需要增加时钟网络中的时钟数目，导致整个时钟网 络的变化，控制