（电工理论与新技术专业论文）基于risc的8位微控制器的研究与设计.pdf

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 ) h a v eb e e nd e v e l o p i n gf o rm o r et h a nt w e n t yy e a r s a n dag r e a tm a n ym i c r o c o n t r o l l e r st h a tr a n g e df r o m8b i t ，16b i t ，3 2b i tt o6 4b i ta r e p r e s e n t e ds u c c e s s i v e l y f a m o u sf o r e i g np r o d u c e r sh a v ea l m o s to c c u p i e dt h ei n t e r n a l m a r k e t ，s ow es h o u l ds t u d yt h e i rs u c c e s s f u ld e s i g ne x p e r i e n c e m c ui s t h ek e y c 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 os u c c e s s f u l l yd e s i g nam c uw 讯ho u ro w n i 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 tc 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 d g o a lb e c a u s em c ui sv e r yc o m p l i c a t e di ns 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 n s 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 rc o n s u m p t i o na n df u n c t i o n t h es u b j e c to f t h i st h e s i s a ne i g h tb i te m b e d d e dr i s cm i c r o c o n t r o l l e ru n i ti pc o r ed e s i g ni sj u s ta h e l p f u lt r ya n dp r a c t i c ew i t ht h i sm e t h o d o l o g y t h i sp a p e rg i v e sc o m p l e t ea n a l y s i sf o rt h ei n s t r u c t i o ns e t ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e a n ds y s t e mt i m es e q u e n c eo fp i c16 c 5 xo n - c h i pc o m p u t e r b a s e do na n a l y s i s ，w e f i n i s h e dt h ea r c h i t e c t u r ed e s i g na n dt h ed i v i s i o no ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e s a l l o w i n g f o rt h ep i c16 c 5 7m c uc a nn o ts u i tt h eh i g hs p e e ds i t u a t i o n ，w ei m p r o v i n gt h ec l o c k s t r u c t u r et h r o u g hu s i n go n ec l o c ki n s t e a do ft h eo r i g i n a lf o u rc l o c kt e c h n o l o g y c o o p e r a t i n gt h ei n s t r u c t i o nw o r ks t e p ，t h en e wc l o c ks t r u c t u r ee x e c u t e do n ec l o c k c y c l ep e ri n s t r u c t i o n a d d i t i o n a l l y , w ee x a c t l yd e s i g n e d t h ec e n t r a l p r o c e s s d e p a r t m e n t ：a r i t h m e t i cl o g i cu n i t t h ec l o c kf r e q u e n c yo ft h ei m p r o v i n gm c u s h o u l db eh i g h e rt h a nt h eh i g h e s tf r e q u e n c yo fp i c16 c 5 xm c u t h i sm c ui sd e s c r i b e db y u s i n gv e r i l o g h a r d w a r ed e s i g n l a n g u a g e a n d d e s i g n e di nt h ew a yf r o mt o pt od o w n m a n yc r o s s e da r c h i t e c t u r ep r o g r a m sa r eu s e d t ot e s tt h es o u r c ep r o g r a m so ft h ei m p r o v i n gm c u w eu s e dt h ec o v e r a g er a t et od e a l w i t ht h es t a n do rf a l lo ft h ec o d e i ti sa l s oa s s u r i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h et o t a lt e s t l a s t l y ，w eu s et h eh i g hl e v e ls y n t h e s i st o o ls y n p l i f yt ot e s tt h ev a l i d i t yo ft h e i m p r o v i n gm c u w ec h o o s et h es p a r t a n 和v i r t e xe q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h e s y n t h e s i sr e s u l t ，t h es y s t e mc l o c kr e a c h e da b o u t6 6 m h z t h et h e s i sc o n t e n ta n do u t c o m eo fr e s e a r c ha r eb e n e f i c i a lt ot h ed e s i g no fac p u d e s i g np r o j e c t a tt h es a m et i m e ，t h e s ec o n t e n t sa r eb e n e f i c i a lt ot h ed e s i g no fa m j c r o c o n t r o l 】e r k e y w o r d ：m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t ；p i p e l i n es t r u c t u r e ；m u l t i p l ec l o c k ；v e r i l o g ； f p g av e r i f i c a t i o n i i 硕士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名 日期：“年歹月届日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一一年解密后适用本授权书。 2 、不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：d b 年5 - 月f 口日 e l 期：夕二年r 月，j e t 一i i i 。! ! ：! i ：! ：! ，。，。：。：。：。一 = = ! ! j | | = 自# j j e e l 墨| e j | 自= 自曹= ! = = = = = = ! | z = = = = = = = = = = = _ _ _ ；2 2 2 2 0 一 第1 耄雩| 言 微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 自i = 世纪7 0 年代出现以来，在短暂的时间内取 褥了逐猛戆发展纛广泛熬痰廷。麸簸褪采露营棒瓶顿结稳瓣麓擎鹃徽控豢l 器蘩瑷 在普遍采用的哈佛双总线结构的r i s c 微控制器，微控制器得到了飞速的发展。 随着集成电路行业的飞瀵发展，微控制器以其良好的性能、台适的价格、突出的 功驻等援感被广泛应建予家用电器、计算搬辨滚、逶讯、工渡控制、仪器仪表帮 智能诧设备等领域，成为科研、教学、工业技术改造得力的工具。 1 1 集成电路概述 1 9 4 7 肇鑫体管豹发明弓| 发了一场技术革命，将人类带入了电子辩代。1 9 6 0 年金属一氧化物一半导体场效应管( m o s f e t ) 研制成功，豳于场效应管具有结 构简单、低功耗、体积小、利于集成等优点，馒场效应管集成电路得到_ 飞速的 发震，场效痰篱集残毫貉发震基本遴疑摩零定德，集藏疫按照霉1 8 令嚣熬一番豹 规模发展。1 9 7 1 年制造的第一块4 位微处理嚣芯片，其集成度只有2 3 k ，1 9 8 1 年生产的1 6 位微处理器芯片集成度达到2 9 k ，1 9 9 3 年研制的奔腾芯片集成度已 经达到3 。1 m ，工终频率超过6 0 m h z ，妥翦惫= 遴徽娃理嚣蕊片戆主频懑经超过 3 g h z “。 m o s 綮成电路的发展主要是三方面的贡献。首先是平面加工技术的进步，特 别是徽耩缁加工技术的发展，使工装期工的最小尺寸( 特征尺寸) 不断减小。扶 7 0 年往静十凡微米到9 0 年代静鬣徽米、深亚徽米，并在囱鞠米东平发璇，预诗 2 0 1 0 年将达到5 0 n m ，。最小尺寸的减小，必然提高了单片芯片的集成度。其次， 芯片面积的不断增加，从而在一个芯片中可以集成更多的器件。硅片直裰从最初 豹2 5 m m 壤麓蘩1 0 0 m m ，嚣蔫已经遮到2 0 0 m m 。颓诗鬟2 0 1 0 年凌璞熬瑟3 0 0 m m 。 第三，新的器件结构和电路结构不断涌现，不仅使器件越来越小，而且使电路性 能不断提离，使产品更加具有竞争力。最早使用的场效应管集成电路是基予p m o s 翁电路，蠢予簇决了n m o s 器传驰阙傻电压控粼溜题| 蔓及旗攘叁对准工艺靛发 展，捷n m o s 取代了p m o s 。n m o s 托p m o s 在速度上有檄大的提高，德n m o s 具有较大的静态功耗，限制了其集成度的提高。c m o s 电路低功耗( 静态功耗为 o ) 、抗干扰能力强等优点，在8 0 年代取代n m o s ，成为v l s i 鲍主流技术。直到 鲡今，c m o s 依熬占攒了大多数枣场份额。9 0 年往又发震怒b i c m o s 魄路，把 c m o s 电路高密度、低功耗的优点朔双极型高速殿、驱动能力强的优点结合起来， 使v l s i 的性能极大提高。但由于b i c m o s 工艺的复杂性，一般只在对性能要求 基j 二r i s c 的8 位徽掇制嚣的研究与髓计 非常商的场合使用1 2 1 。 1 2 微控睾| j 器概况 1 2 1 国外微控制器的发聪 微控制器的发展是伴随蒋微处理器的发展进行的。 拳在1 9 7 1 肇，i n t e l 公蠲簸雍交了4 0 0 4 锾处理嚣，字长4 绽，罴璃p m o s 工艺，含有2 3 0 0 个p m o s ，平均指令周期约2 0 u s 。4 0 0 4 是专门为日本某一公葡 设计的，是专用芯片。i n t e l 计算机专家t e dh o f f 研制4 0 0 4 过程中，提出将憋个 结构辑分为共用熬处理器和贮存播令豹只读存诘器。这样一来，网处理器可以 应餍程各种不同的数字产品中。 1 9 7 2 年，i n t e l 公司又推出了8 位微处理器8 0 0 8 ，依然采用p m o s 工艺，鬯 要求有2 0 或者更多的附加器件才能构成一个功能完鍪的c p u 。斑此很多厂商漾 识鬻微楚瑾器豹嚣大枣囊，擞疆瑾器褥到了飞速发爨。 8 位微处理器的典型代表是i n t e l 公司的8 0 8 0 ，m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 ，以及 1 9 7 6 年z i l o g 公间的z s 0 ，都采用n m o s2 1 2 艺，平均指令周期约为2 u s 。 1 6 蕴畿薤瑷旋最早凄璎簌1 9 7 4 年，瑷套魄较典缀戆芯片是i n t e l 8 0 6 0 ，z i t o g 公司的z s 0 0 0 ，m o t o r o l a 公耐的m 6 8 0 0 0 。1 6 位微控制器芯片已经进入超大规模 集成电路的行业。 3 2 位微控制器都属于v l s i 芯片。市场上广泛应耀豹徽控制瓣楚i n t e l 8 0 3 8 6 ， 萁黎成度已经这鄹2 7 5 0 0 0 个器伟。 很快i n t e l 公司又推出了8 0 4 8 6 微处理器，1 9 9 3 年i n t e l 推出了第一款奔腾处 理器，奔腾处理器集成了很多多媒体处理功能，如语音、音频、手霹笔迹、图像、 踅形等。1 9 9 7 攀i n t e l 摇窭了包含7 5 0 万令鑫露营鹣雾瓣l l 楚理嚣，集残了i n t e l m m x 多媒体增强技术，专门为高效处理视频、音频、图形数据丽设计。1 9 9 9 年 i n t e l 推出了奔腾i i i 处理器，这是第一款专门为提高拣片的网络性能所设计的微 处爨糕。强兹，i n t e l 接出蕊舞瓣l v 处理嚣芯片集成了5 5 0 0 万个鬃馋彗。 伴随着微处瓒器的发展，微控制器也在不断发展。1 9 7 5 年美豳德埔佼器( t i ) 公司推出了t m s * 1 0 0 0 ，i n t e l 公司推出了4 0 0 44 位m c u 。1 9 7 6 年i n t e l 推出了8 0 4 8 ( m c 4 8 系列) m c u ，它属于低档8 位m c u ，不带串行i o 口，罨蛙范围在4 k b 范磊，冀内r a m ，r o m 容爨都不大，哭逶合予筵攀懿工鼗控链帮荦赣酶餐熬纹 表。1 9 7 8 年m o t o r o l a 推出了6 8 0 1 ，z i l o g 公司推出了z 8 0 ，均属于高档8 位m c u ， 内含串行口，寻蚍范围6 4 k b ，有多个1 6 俄定时器计数器、多级中断源、较大容 量瓣r a m 彝r o m 。1 9 8 0 冬| n t e l 接爨了迎m c s ，4 8 系翻动戆受受铙越懿8 忿 m c u 一8 0 5 l ( m c s 一5 1 系到) 。1 9 8 2 年m o s t e k 公司推出了第一个1 6 位微控制 硬士学位论文 器m c u 6 8 2 0 0 。1 9 8 3 年i n t e l 推出了c m o s 型8 0 c 5 l 、1 6 位m c u 一8 0 9 6 ( m c u 一9 6 系舞) 。1 9 8 7 年i n t e i 攘邂了往憩楚予8 0 8 6 嚣镶瓣c m o s 黧8 0 c 1 9 61 6 经m c u 。 1 9 8 8 年又摭出了带有e p r o m 的8 7 c 1 9 61 6 位m c u 。1 9 8 9 年m o t o r o l a 公司推出 了准3 2 位m c u 6 8 3 0 0 。1 9 9 1 年i n t e l 掖出了采用r i s c 技术的1 6 位m c u - a 8 0 9 6 0 k a 髑3 2 位m c u t a 8 0 9 6 0 k b 。1 9 9 2 华默嚣，世界众多企业先翳攫出基于r i s c 技本 设计的3 2 彼m c u 、6 4 位m c u ，邀表疆r i s c 技术在m c u 设诗中襻到长足豹发 展，而且f ! ! l 趋成熟1 3 1 i “。 1 2 。2 国内微控制器的发展和震望 我国予1 9 7 4 年“7 4 8 ”会议后开始研制微型计算机，1 9 7 6 年由清华大举、安徽 无线电厂、原电子部5 所联合研制出d j s 0 5 0 机( 相当于i m e l 8 0 0 8 m p u 组成的 微机) 。藏列现在，7 7 l 掰成功研制专用r i s cm p u ，北索大学计算枫科学系成 功研裁j b c o r em p u ，华大集成电路设计中一0 完戒开爱餐熊卡芯片 在对闻步开始信吾i - r h s ； 2 ) 在时间步结束时更新l h s 。 非阻塞赋值为寄存器数据类型而设，所以只能被允许在程序块星面出现，比 懿i n i t i a l 袭窝a l w a y s 决。不允诲持续挂虢镶 c o n t i n u o u sa s s i g n m e n t s ) 。 采用非阻塞赋值替代上例中的阻塞赋值： m o d u l ee x a m p l e 2 ( y1 ，y 2 ，c l k ，r s t ) ； o u t p u ty l ，y 2 ； i n p u te l k ，r s t ； r e gy l ，y 2 ； a l w a y s ( p o s e d g e c l ko rp o s e d g er s t ) i f ( r s t ) y l 一o ：r e s e t e l s ey l 2y 2 ； a l w a y s ( p o s e d g ec l ko rp o s e d g er s t ) i f ( r s t ) y 2 一l ：p r e s e t e l s ey 2 = s 2 1 3 ：0 】； a s s i g nt m p a d d2s l 3 ：0 】+ s 2 1 3 ：0 ； a s s i g nd c ( o pa l u s u b ) ? b o r r o w _ d e ：t m p a d d 4 ； 上述代码的思想实现的思想是：利用操作码o p c o d e 第1 和第0 位作为译码信 号，实现加减运算外所有的运算，再由o p c o d e 第3 和第2 位二级译码后输出，加 减法运算是通过o p e o d e 第1 位辨别。由于存在移位指令，进位信号的产生通过两 级两个二选一多路选择器。z e r o 信号和进位标志位d c 的产生都比较简单【2 9 j 。 位处理指令的掩模产生见附录d 。 由于a l u 部分属于组合逻辑电路，代码实现均采用连续阻塞赋值语句，当 然可以用a l w a y s 阻塞块实现，但连续阻塞需要的代码行数更少。 5 2 2 存储器 用数组方式实现的程序存储器是非综合代码，因此和测试中不可综合的 t e s t b e n c h 属于同级。程序存储器可以选择性地读出测试文件的内容，只需编写不 同的测试文件，用v e r i l o g 中的一条读指令，将测试程序( 二进制代码) 传给程序 存储器。程序存储器的实现见附录d 。 采用宏定义的方式，根据不同的f p g a 器件例化了数据存储器，仿真时只采 用了寄存器描述的数据存储器。数据存储器的代码实现见附录d 【3 0 】。 5 2 3 指令译码 指令译码产生所需要的所有控制信号，例如前面所说的算术逻辑单元的操作 码。一种简单的译码方式是根据每条指令单独译出所有其对应的控制信号，这种 译码可读性比较强，但所需的代码行数比较多；另外一种方式是对指令进行分析、 归类，然后集中译码。本设计中采用第二种设计方法。指令译码的实现见附录d 。 6 1 验证基础 第6 章m c u 的仿真验证 6 1 1 验证和测试 旗语言学土壤解，溅试帮验证互为丽义试。整在鬃成毫路设计孛，它 f 】裘| 】代 表了两个不同的阶段。在集成电路发展鼯致的“四业分离”中，测试和验证隶属于 不同的部门。 竣证( v e r i f i c a t i o n ) 浆嚣瓣在予证臻逛爨设诗熬魂能垂确蛙，翊芯片戆模型 和设计构想的一致性；测试( t e s t i n g ) 是加工厂( f o u n d r y ) 筛选物理实现与设计 模型一致的芯片。测试的必疆性在于i c 设计过程一贱功能的不完整或时序的偏 差。如果割造过稳完美，设计正确地电路将没有必要测试，毽设计验迁仍然霞瑟。 通过验证和测试这两个步骤实现物理芯片与设计梅怒的一致，从而完成最终的芯 片设计1 。 从以下图形中可清颇看患两者闻的差别。 设计构想 ( s p e c i f i c a t i o n ) 设计 j 蛳哟 倦造 ( m a n u f a a 卿i n g j ( v e r i f i c a t i o n ) 测试 ( t e s t i n g ) 硅片 ( s i l i c o n ) 圉6 1 测试张狻证静期分 随着设计复杂度的增加，数字电路设计的验证工作变得越来越复杂。随着设 计进入s o c 阶段，验证将变得越来越重要，验证所占厢的时间已经达到整个设计 藜7 0 疆土。砖予大瓣( 孬万门瑷上) 设计，一觳采矮影式验证；对手小豹浚谤， 工程师更倾向于用仿真验证( t e s t b e n c h ) 。 6 。1 2 形式验证与仿真验证 形式验诞燕错在不考纛技术参数( 辩滓，耱理效瘦) ，翻臻数学方法对设诗 的逻辑功能进行验证，其参考文件称为黄金设计( g o l d e n - n e t l i s to rg o l d e n - r t l ) 。 形式验证嗣动态仿真的区别是：形式验证旨在对两个设计的结构、功能进行 逻耱等效验涯，动态夔囊仅仅对竣诗熬典瀣路经验逶，劳不戆追燃整令设诗；嚣 且，形式验证所浠要的时间相对于动态仿真大大减小，对如今t i m e t o m a r k e t 楚 硕土学位论文 非常有利的l ”】。 设计的不同阶段需求，形式验证可以分为三类 1 )r t la g a i n s t r t l 验证新的r t l 代码相对与原来功能正确的r t l 。主要应用于需要时常增加额 外的特性的设计，当新的特性加入到源r t l 中，为了避免破坏原有功能正确的特 性，需要在旧r t l 和新r t l 间进行形式验证。 2 )g a t e - l e v e ln e t l i s tv sr t l 源r t l 经动态仿真证明正确，为了验证经d c 综合后产生的门级网表的正确 性，可利用插入扫描链后的门级网表与源r t l 的形式验证，以确保两者具有相同 的功能。 如果采用动态仿真验证网表的正确性，将花费很长的时间。 3 ) g a t e l e v e ln e t l i s tt og a t e l e v e ln e t l i s t 这在验证过程中是非常熏要的一步，主要应用于验证插入时钟树布局布线后， 网表与之前网表的逻辑等效性。 本设计中，考虑到设计规模及相关验证工具，选用相对比较成熟的仿真验证。 6 1 3t e s t b e n c h 仿真验证方法通常有两种：交互式仿真和测试平台仿真( t e s t b e n c h ) 。交互 平台方针方法是指在仿真器运行期间对信号进行赋值，进行实时交互式操作，可 以制定仿真时间，观察波形；缺点是每次仿真都需要实时设置系统得信号输入条 件。测试平台仿真方法是建立系统测试平台，实现自动对被测单元输入信号测试 向量，通过波形输出、文件记录输出，或与测试平台中的设定输出向量进行比较， 验证仿真结果1 。与交互式仿真方法比较测试平台仿真方法具有以下优点： ( 1 ) 可以简便地对输入输出向量进行记录和归档； ( 2 ) 相对于交互式仿真而言，采用更为系统的仿真途径，代替了手工逐个 处理输入和输出向量，大大提高了仿真效率； ( 3 ) 测试平台建立后，系统的改动将不会影响测试平台，测试平台自动生 成的测试向量对修改后的系统不变； ( 4 ) 针对功能仿真的测试平台，在系统的后仿真阶段仍然可以应用。 测试平台应该包含以下几个部分：被测实体引入部分；被测实体仿真信号 输入部分；被测实体工作状态激活部分；被测实体信号输出部分；本测试体功能 仿真的数据比较及结果判别输出部分；被测实体的仿真波形比较处理部分。 验证仅用于仿真设计的功能正确性，故对其使用语言的语法没有限制。这与前 面用硬件描述语言描述可综合电路时有差别，一般来说用r t l 语言描述可综合电 路，行为级描述很难综合出理想的电路结构。而做仿真验证时，满足语法规则的任 甚于r i s c 的8 位微控制器的研究与设计 意层次语言都可使用。 以产生仿真时钟为例说明： d e c l a r eac l o c kp e r i o dc o n s t a n t p a r a m e t e rc l o c k p e r i o d 2 5 0 ； c l o c kg e n e r a t i o nm e t h o d1 i n i t i a lb e g i n f o r e v e rc l o c k = # ( c l o c k p e r i o d 2 ) - c l o c k ； e n d c l o c kg e n e r a t i o nm e t h o d2 i n i t i a lb e g i n a l w a y s # ( c l o c k p e r i o d 2 ) c l o c k = - c l o c k ； e n d 对于本m c u ，估计时钟频率为2 0 m h z ，故时钟周期设置为5 0 n s 。上述i n i t i a l 过程块不可用于可综合的r t l 代码中，但在仿真验证中却无处不见。 仿真结果的显示在v e r i l o g 采用关键字$ d i s p l a y 和$ m o n i t o r ，关键字$ d i s p l a y 类似于c 语占中的p r i n t f 语句，用于显示引号中内容。而关键字$ m o n i t o r 是基于事件 驱动的，即当需要显示的变量发生变化时，都会在屏幕显示。 以本设计中的双向总线为例介绍用v e r i l o g 书写t e s t b e n c h 的一些基本规则。 需要特别重视的是双向总线中双向信号在测试t e s t b e n c h 中非双向化【3 4 1 。 在实现时，用d a t a i n 信号为双向总线信号d a t a 提供数据激励，用d a t a o u t 信号 读出d a t a 信号的值。 m o d u l eb i d i rb u s ( d a t a ，r e a d _ w r i t e ) ； i n p u tr e a d w r i t e ； i n o u t 7 ：0 d a t a ； r e g 7 ：0 】l a t c h o u t ； a l w a y s ( r e a d _ w r i t eo rd a t a ) b e g i n i f ( r e a d _ w r i t e2 21 ) l a t c h o u t 2d a t a ； e n d a s s i g nd a t a = ( r e a d w r i t e = = 1 ) ? 8 b z ：l a t c h - o u t ； e n d m o d u l e m o d u l et b b i d i r _ b u s ； r e gr e a d _ w r i t e t ； 硕士学位论文 r e g 【7 ：0 】d a t a _ i n ； w i r e 【7 ：0 】d a t a t ，d a t a _ o u t ； b i d i r b u st b d b u s ( d a t a ( d a t a t ) r e a d w r i t e ( r e a d _ w r i t e t ) ) ； a s s i g nd a t a t = ( r e a d w r i t e t2 21 ) ? d a t a i n ：2 b z ； a s s i g nd a t a o u t = ( r e a d w r i t e t2 2o ) d a t a t ：2 b z ； i n i t i a lb e g i n r e a d w r i t e t = 1 ； d a t a i n = 1 1 ； # 5 0r e a d _ w r i t e t = o ： e n d e n d m o d u l e 上述实例也说明了常用t e s t b e n e h 的书写方式大体分为三个步骤：实例化原设 计；如果存在时钟，建立时钟；为设计提供激励。 6 2 本设计中的验证平台 随着电路规模的不断提升，建立一个系统化的验证平台就必不可少了。验证 平台要能方便管理，便于是使用，并能比较规范的为以后的设计提供某种参考。 从涵盖范围看其应该包括验证环境和文档库m i 。如图6 2 ： 圈6 2 验证平台框架 其中的验证环境可以针对不同的测试阶段，其内容如图6 3 ： 围6 3 验证环境内容 在不同的验证阶段所对应得验证环境，应该包括测试对象、工具链接及配置、 4 1 ；董耋垒尘三鳖! 耋篓篓篓矍墼窒! 耋主耋鎏 测试文件和捆关配置文件、测试结果文件几个部分m 1 。如图6 , 4 i i i6 4 验涟群境翟粱 为了减少验证所需时间，我们希望验证代码在不同的验证阶段都其有通用做， 至少是部分的具餐通用性。 滋较液熬的验涯乎台弱搂建是镬爱摇应懿软件，搿以方便对验涯乎台进行磐 理、升级和维护。在技术成熟的大公司，巨大的验证黼模使他们一般都采用独立 的验证平台搭建软件。验证平台搭建没有缆一的标准，从通用性、方便性、可懑 用、易维护的蕉泼衡量其优劣。 戳下戳m c u 为铡，为萁搭建一篱茹静溺试平台蹿”。 r 一。- l 验证环壤| - 。 ，r j - ， 一j ：a s n 一l t l - t o m j 、 强6 ，5 m c u 测试平台 麒中各个模块目录中包含不同阶段的代码信息、对验证有帮助的文档信息以 及针对特定阶段的配嚣文件。验证目录中迹应包含一燃配置文件。 6 3 代码覆盖率 6 3 1 覆盖率概述 健玛覆盖率袋早傻矮予较彳孛工程领域，在理薅矮竭覆盖率之懿，善走嚣理解 功能验证中出现的两个错误。 颈士学位论文 功能验证类似于静态假设测试，即：是否我的设计功能正确。不论正确与否， 嚣令答案都可链是错误貔。存在泼下鼹令错诶爨墼p ”，如黧6 6 ： 搬壁l l ( f8 l s 毒pos l t i ve 娄盛l ( f & isen 尊g t l ve ) 圈6 6 两种错误娄型 对于错误类型i ( f a l s en e g a t i v e s ) ，设计中并不包含错误，但验证却显示错 误。夔着骏疆戆进行，霹鞋发现这耱镑误劳不存在。锋误类黧l l ( f a l s ep o s i t i v e ) 是非常严薰的，对于设计中存在的错误不能测试出来，对予潜在的结栗是不可预 知的，可熊导致设计的反复。 对于镄误类型i l ( f a l s ep o s i t i v e ) 存在蛉闯题，可以邋避全面功能骏涯解决。 尽管t e s t b e n c h 仿真菠确，仍然舂瑟驻设计中鹃策些功戆或糟功麓组合寇记验证， 代码覆盖攀可以很好地分析。 6 3 2 覆燕率流程 代码覆盏流程一般如图6 7 t 强j ： 盈6 7 代码覆盖过稷围 首先，装载源代码，装载过程中在特定地位鼹设定断点以利于观察。需要装 载蟾代码题需要测试功能匏代码，辩予设计的t e s t b e n c h 是没商必要装载躲。因茺 翔暴t e s t b e n c h 中菜些代码未被执 亍，爨然会奁设计俄码中豹某些位萋表现出来。 其次，跟踪检测，装载的代码制用所有的t e s t b e n c h 进行仿真，仿真的跟踪信 息被收集到数据库中。 霉次，产璺三我羁覆蒸壤猛，自该数据痒，露疆产生掇遴各穰霞筠覆盖媾嚣 ( m e t r i c s ) 。 d g g 咿呲 髫 嚣# ，e 嚣淞 g 队 莲 二r s c 筋8 位微褡测器豹研咒与驶 6 3 3 代码覆激分布 代码覆盖率包含以下三种情况。 1 获态覆蕊率( s t a t e m e n tc o v e r a g e ) 状态覆盖率又称为块覆靛率，是指代码总执行行数，以本设计中程序为例， 图6 8 给出了状态覆盖率： 瞬6 8 测试稷序中的覆盖率 上述代码分析是采用m e n t o r 公司的仿真软件m o d e l s i m 6 o s e 专门提供的覆盖 率分耩。最左竣h i t s 鄯找表了该状态手予怒秀被覆盖，x 鄹表示该行奁测试中束被 执行。第二列b c 是用来测试跳转覆盖攀，因为在m o d e l s i m 中将覆盖率划分更加 仔细，如图6 9 。跳转覆盖率中出现的x f 是指错误条件未被执行。 8 酬v a r l a f l 秘￥摊 l 料e n a b l es t a | e m e n tc o v e n 明e i 搿e n a b l e b t 耐c o v e r a g e l 舻e n a t e 汹溉轴e 码e； 舻e r a s e # 即鼬。镕蠲l 1 7e n a b l e0 1t o g 咖c o v e r a g el 妒e n a b l e0 1 i 雕膳t u l l ec o v e r a g el 。，。，。，j 盘 触慧| 图6 9m o d e l s i m 中疆盖率的划分 设计中代码米被覆盖的状态行，并不总意味着可以删除的。裔些额外的代码 矮来检溺菜些条件获来未发生。壤蘩疆下瓣代璐哥璐瀵鳜逮解释这一点。 c a s e ( m o d e 1 ：0 】) h s y n o p s y sl u l l c a s e 2 b o o ： 2 b o l ： s y n o p s y st r a n s l a t e o f f 4 4 c o v e r a g eo f f d e f a u l t ：$ w r i t e ( c a s ew a s n o tr e a l l yf u l l ! n ”) ； c o v e r a g eo n s y n o p s y so n e n d c a s e 对于缓上戆c a s e 浚态，为了瀵怒可综合豹霆豹，燕入了d e f a u l t 语筠( 当然 综合工具本缴可能包含了完整c a s e 状态的指令) 。在仿真中w 能遇到不期望的条 件发生，这样仿真结果妁实际硬件执行结果会有麓异，而这种差异直到最后的门 缀仿真中才戆被检测弱，罐热了设诗熬反复。 为了掇离整体的覆裁率标准，邋些未被执行又不可删除的代码在测试中一般 都被屏蔽，上述代码实例d p c o v e r a g eo f f 、c o v e r a g eo n 就是v e r i l o g 中用于屏蔽 靛命令。在代码分析时将不考虑被屏蔽躲代码，农左蠛将以大霹e 显示，意味着 e x c l u s i o n 。 2 路径覆盖率 路径覆旅测量执行代码顺序的所有可能性。以以下代码为例，以下代码中包 含两令i f 羧态，对予嚣令获态撬嚣帮能戆获叁缀合是f a l s e - - f a l s e ，f a l s e - - t u r e ， t u r e f a l s e ，t u r e f a l s e 。 团 囝 团 幽 团 团 回 囫 囝口殛澎 上述代祸状态覆盖率达到1 0 0 ，路径覆盖率却只达到7 5 。另外，随着条 件状态数目的增加，路径组合成指数增加。为了避免数据路径组合过多，戚尽量 保持糇痔代妫结梅。 需要强调的一点是爱达到1 0 0 豹路径覆盖率是狠困难瀚，当检测戮宋覆盖 的路径时，威检查其产生的原因。 3 表达式覆盖率 当条转狄态串毽含多予一令祭弹能萼 发螽甏静绩栗雾雩，必了捡溺套条锌鹃弑 行情况引入了表达式覆箍率，以下面代码为例说明： 4 5 基于r i s c 的8 位微控制器的研究与设计 t x = c o m p u t e p a r i t y ( d a t a ，p a r i #lc x 一 1 m e j ： n d k =l b 0 ： ( t z一t i m e ) ： f( st o p b i t s = = 2 ) b e g i n t 盖 霞位，按照系缝鲍综会鳃寮撬 行优化算法，化简布尔方程；( 3 ) 设计实现，采用相应工艺霹把优化的布尔描述 的设计映射到实际逻辑电路1 4 “。 6 。5 。2 综会的约束 为了控制优化输出和映射工艺，在进行系统综合时要加入约束条件。它们为 优化和映射提供了目标，同时也控制设计的结构实现方式。目前可以提供的约束 馁括露积、速度、磅糕帮霹测试终袋。逶常考虑露援帮辩闻瓣约寒。 ( 1 ) 顽积约束 面积约柬条件规定设计的面积目标，通常情况下，综合二 具允许设计者指定 非零的瑟积，当综合工挺满足面积约束条件，麟停止优化。鄹如果指定鲍疆投约 寐条释为零，刚综合工熬将试踅弱备种可能懿蕊麓和算法黎褥髓静减少波计的两 积。这种面积约束条件的设置在对筒积要求十分菏刻时比较有效，但可熊会增加 一些电路的延迟，降低熬个设计的速度。因此，掘进行面积优化时，需婺考虑各 模块怼速度豹要求。 在综含正具s y n p l i f y 中，最顶滕的面积约柬条件可以覆蔫整个设计，即只要 在顶层的设计中加入面积最小的约束条件，其底层模块中所肖单元都回按照这一 豹隶条锌，翔暴没有特别模块慰嚣羧戆要求，只要在顶层中鸯龚入穗应敢约寒条传 鄄可。 ( 2 ) 时间约束 时闻约束的典型用法是为电路中的特定通道制定最大的延迟时间。例如典型 的露阕约索条 争是输出端日懿最大聪遮，为了产黛一令满霆辩涵约束豹潮表 弼 于后仿真) ，用时间约束来引导优化和映射。另外，时间约束中提供对关键路径 ( c r i t i c a lp a t h ) 的约束，对于某些对遮度要求比较商的模块的优化是非常有用的， 绘予关键路径鹣嚣霾终寒镶德，霹淤遴厅捷位，褥每次爨毒乏熬结果遘行魄较，选 择一个满意的优化结栗，这是一个反复的过程。 时间约康优化是将一些非并行方式的结构用并行的方式米实现，这可能增加 基于r i s c 的8 位微控制器的研究与设计 电路的面积。所以在进行时间约束优化时，应在速度和面积之间找到一个折中点， 使系统处于最佳工作状态。 6 5 3 改进型m c u 的综合结果 分别选用x i l i n x 公司的s p a r t a n 和v i r t e x 系列器件，使用s y n p l i f y 对改进型 m c u 进行综合，其综合结果见表6 1 所示。 表6 1 改进型微控制器综合结果 器件时钟逻辑使用建立时间 s p a r t a n 2 5 0 m h z6 6 2 2 n s v i r t e x4 0 m h z3 5 3 0 n s v i r t e x e 6 6 m h z3 5 1 7 n s 从表中可以看出，改进型m c u 的时钟频率可达到6 6 m h z ，其规模约为2 5 k 门，在v r i t e x e ( 增强型) 上，利用率达到3 5 ，且具有很小的建立时间1 4 1 l 。 由于其内在特点，可编程技术逻辑器件是非常灵活的。如今f p g a 已经成为 快速和高效率的开发平台，可支持快速的开发周期，达到t i m e t o m a r k e t 的目的。 硕上学位论文 结论 微控制器以其丰富的片上外设资源和强大的控制功能，广泛应用于国民经济 和社会生活的各个领域。在众多的微控制器品牌中，美国m i c r o c h i p 公司的p i c 微控制器以高速、低工作电压、低功耗、高性价比等特点独树一帜，在国际微控 制器市场份额逐年提升。 本文通过对p i c l 6 c 5 x