（电路与系统专业论文）ahb接口8051兼容处理器ip设计研究.pdf

浙江大学硕上学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 摘要 面向1 0 到1 0 0m i p s 性能需求的s o c 系统，本课题在8 位8 0 5 1 兼容内核 基础上进行扩展研究。 为利于借助兼容3 2 位商用s o c 总线的口资源进行设计重用，并借助相应 的软硬件开发工具，本课题选择了a m b a 2 0 总线规范。该设计为8 0 5 1 兼容内 核扩展了a h b 主设备接口，使之能以标准3 2 位a h b 主设备i p 的形式用于 a m b as o c 。内部的桥接电路完成了8 0 5 1 内部总线与a h b 总线之间的协议转 换。封装而成的处理器i p 能无缝替换原有的3 2 位处理器，有助于加快系统研 发以及构建低成本的s o c 解决方案。 同时利用最新的存储工艺制程发展，本课题采用o 1 8 u r n 工艺的片上嵌入 式f l a s h 存储器作为程序存储器，使得封装的处理器i p 具有更好的可编程性 能。本课题分析了性能瓶颈，提出了添加指令高速缓存的设计方案。通过参数 化建模指令高速缓存，本课题得到了8 0 5 1 构架下指令高速缓存的性能特性随参 数的变化关系。在测试结果和设计约束的基础上，本课题实现了一种1 2 8 字节 容量的直接映射方式指令高速缓存，使得系统能工作于1 7 6 m h z 时钟频率。相 比直接集成嵌入式f l a s h 方案最高工作于4 7 4 m h z 具有最高1 1 8 5m i p s 峰值 。性能，优化的设计使速度提升了近3 7 倍。达到了在有限的面积代价下显著提 升了系统性能的效果。 本课题设计的处理器i p 在对8 0 5 1 兼容内核最小的改动下完成了设计。通 过进一步的优化有望提升此i p 的价值。此外，未来的研究工作也可以基于此i p 展开。 关键词：8 0 5 1 兼容内核；嵌入式f l a s h 存储器；指令高速缓存：a h b 总线接口； 片上系统；智权模块； 浙江大学硕士学位论文 a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 a b s t r a c t a m i da ts o cs y s t e m s 诵t l lp e r f o r m a n c en e e dr a n g i n g1 0 - 1 0 0m i p s ， o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hw a sm a d eu p o nt h e8 - b i t8 0 5 1 c o m p a t i b l em i c r o c o n t r o l l e r c o i e i no r d e rt ot a k ea d v a n t a g e so fe x i s t i n g3 2 一b i tc o m m e r c i a ls o cb u sc o m p a t i b l e i pr e s o u r c e s 硒w e l la st h es u p p o r t i n gh a r d w a r e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l s ，a m b a 2 0b u ss t a n d a r dw a ss p e c i f i c a l l ys e l e c t e d a h bb u si n t e r f a c ew a sa d d e dt oo n e 8 0 5 l - c o m p a t i b l ec o r e ，w h i c he n a b l e st h ec a p a b i l i t yt ob eu s e di na m b a b a s e ds o c i n t e g r a t i o ni nt h ef o r mo fs t a n d a r da h b m a s t e ri p ab r i d g em o d u l ew a sd e s i g n e dt o c o n v e r tp r o t o c o l sb e t w e e n8 0 51i n t e rb u sa n da h bb u s 1 1 1 ef i n i s h e dp r o c e s s o ri p c a l ls e a m l e s s l ys u b s t i t u t et h eo r i g i n a l3 2 - - b i tp r o c e s s o ri pt ob u i l dl o w - - c o s ts o c s o l u t i o n sa sw e l la sa c c e l e r a t es y s t e md e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，0 18 u r no n c h i pe m b e d d e df l a s hw a si n t e g r a t e da s p r o g r a mr o m ，w h i c ht a k e st h ea d v a n t a g eo fn e w l yd e v e l o p e dm e m o r yp r o c e s sa n d i n c r e a s e ss y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y l a t e l y , i c a c h ew a sa d d e da sas o l u t i o nt o i n c r e a s ep e r f o r m a n c ea f t e rt h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c k s p a r a m e t e r i z e d i c a c h em o d e lw a sd e v e l o p e dt oh e l pt h ea n a l y s i s ，w h i c hc o l l e c t si n f o r m a t i o no n t h er e l a t i o n sb e t w e e ns y s t e mc h a r a c t e r sa n di c a c h ep a r a m e t e r s b a s e do nt h e r e s u l to fa n a l y s i sa sw e l la sd e s i g nc o n s t r a i n t s ，d e s i g np a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d a n da12 8 - b y t e ，d i r e c t - a s s o c i a t i o ni c a c h ew a sf u r t h e ri m p l e m e n t e d t h eo p t i m i z e d i pc a nt h u sr u nu pt os p e e do f17 6m h z ，n e a r l y3 7t i m e st h eo r i g i n a ld e s i g nw i t h o u t i c a c h e ，w h i c hc a nr u na t4 7 4m h za n d 埘t hp e a kp e r f o r m a n c eo f11 8 5m i p s s i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti sm a d ei nt h ec o s to fl i m i t e da r e ao v e r h e a d t i l i sp r o c e s s o rw a sd e v e l o p e du n d e rm i n i m u mm o d i f i c a t i o n st ot h ei n n e rl o g i c o ft h eo r i g i n a l8 0 5 1 - c o m p a t i b l ec o r e f u r t h e ro p t i m i z a t i o nc a nb ee x p e c t e dt o i n c r e a s ei t sv a l u e f u r t h e rm o r e ，f u t u r er e s e a r c h e sc a na l s ot a k et h ea d v a n t a g eo ft h i s p r o c e s si p k e y w o r d s ：8 0 5 1 c o m p a t i b l ec o r e ；e m b e d d e df l a s hr o m ；i n s t r u c t i o n c a c h e ；a h bb u si n t e r f a c e ；s y s t e m - o n - c h i p ；i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) ； 一1 1 浙江大学硕上学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 图 图1 1 微控制器在汽车电子应用示意图( 注) 8 图1 28 0 5 1 扩展a p b 接口系统框图1 5 图l - 38 0 5 1 扩展w i s h b o n e 接口系统框图16 图2 1d w 8 0 5 1 软核结构框图2 1 图2 - 2d w 8 0 5 1 存储空间2 2 图2 - 3d w 8 0 5 1 顶层接口信号2 5 图2 - 4d w 8 0 5 1 处理核心节拍。2 6 图2 - 5d w 8 0 5 1s f r 总线时序2 6 图2 - 6d w 8 0 5 1i r a m 总线时序。2 6 图2 - 7d w 8 0 5 1i r o m 总线时序2 7 图2 8d w 8 0 5 1m e m 总线x r o m 读时序2 7 图2 - 9d w 8 0 5 1m e m 总线x r o m 写时序2 8 图2 1 0d w 8 0 5 1m e m 总线x r a m 读写时序2 8 图2 1 1d w 8 0 5 1 上电复位时序2 9 图2 1 2d w 8 0 5 1 在r s ti nn 作用下复位进入时序3 0 图2 1 3d w 8 0 5 1 在r s ti nn 作用下复位退出时序3 0 图2 1 4d w 8 0 5 1 中断响应时序31 图3 - l 嵌入式f l a s h 内部结构图3 4 图3 - 2 嵌入式f l a s h 接口读时序3 5 图3 - 3d w 8 0 5 1 读取嵌入式f l a s h 存储器信号时序3 5 图3 _ 4b 和m 参数固定程序执行时间t 随c 和w 参数变化关系。4 2 图3 5b 和m 参数固定。缓存缺失率r 随c 和w 参数变化关系4 2 图3 6b 和w 参数固定程序执行时间t 随c 和m 参数变化关系4 3 图3 7 b 和w 参数固定缓存缺失率r 随c 和m 参数变化关系。4 3 图3 8 w 参数固定程序执行时间t 随b 、m 和c 参数变化关系4 4 图3 - 9 w 参数固定缺失率r 随b 、m 和c 变化关系4 5 图3 1 0 指令高速缓存数据通路4 7 图3 - 1 1 指令高速缓存控制器控制流程4 8 图3 1 2 指令高速缓存顶层结构图4 9 图3 - 1 3d w 8 0 5 1i n t r 0 1 外部中断采样电路。5 1 图3 1 4d w 8 0 5 1i n t r 0 1 外部中断采样时序5l 图3 1 5d w 8 0 5 1i n t t 0 1 在处理核心停顿条件下的外部中断采样时序5 l 图3 1 6d w 8 0 5 1i n t r 0 1 与d w 8 0 5 1中断相关信号连接关系5 2 图3 1 7 处理核心在无停顿条件下的中c 断p u 握手时序5 2 图3 1 8d w 8 0 5 1i n t r 0 1 工作在门控时钟下的中断握手时序5 2 图3 1 9d w 8 0 5 1i n t r 0 1 工作在未门控时钟下的中断握手时序5 2 图3 2 0d w 8 0 5 1i n t r 0 1 工作在未门控时钟下的中断握手时序异常5 3 1 一 浙江大学硕十学位论文 a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 图3 - 2 1d w 8 0 5 1t i m e r 计数事件时序5 4 图3 - 2 2d w 8 0 5 1t i m e r 在处理核心停顿条件下的时序异常5 4 图3 - ：2 3 修改后d w 8 0 5 1t i m e r 计数事件产生时序5 5 图3 2 4d w 8 0 5 1i n t r 0 1 中t c o n 寄存器读写时序5 5 图3 - 2 5 通过琢a m 的a h b 接口扩展连接5 8 图3 - 2 6 通过s f r 的a h b 接口扩展方案5 8 图3 2 7 基于u a r t 构建的通讯协议的传输层帧结构5 9 图3 2 8 通过x r a m 的扩展方案连接图5 9 图3 - 2 9 扩展基于的存储空间映射关系图6 0 图3 - 3 0 桥接电路数据通路6 6 图3 _ 3 1 桥接电路读数据控制流程6 7 图3 - 3 2 桥接电路写数据控制流程6 9 图3 - 3 3 桥接电路写数据辅助控制流程6 9 图3 - 3 4 桥接电路读缓冲无效操作控制流程7 1 图3 - 3 5 写缓冲冲刷操作控制流程7 2 图3 - 3 6 桥接模块顶层结构图7 3 图3 - 3 7 门控单元逻辑结构7 4 图3 - 3 8 子系统复位逻辑结构7 5 图3 - 3 9 封装后的8 0 5 1 处理器i p 的项层接口7 6 图4 1 系统验证平台结构框图7 9 图4 _ 2 流程控制脚本调用关系8 0 图4 - 3r u n s e r 脚本控制流程8 0 图4 - 4r u n t e s t s h 脚本控制流程8 l 图4 5r u n t e s t 脚本控制流程8 2 图4 - 6 仿真窗口截图8 4 2 一 浙江大学硕上学位论文a h b 接u8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 表 表格1 - 1 市场上主流8 位微控制器及其使用的处理器核心1 l 表格l - 2 市场上主流的8 0 5 1 兼容微控制器口一l l 表格2 1d w 8 0 5 1 通用寄存器组一2 2 表格2 - 2d w 8 0 5 1 特殊功能寄存器2 4 表格2 - 3d w 8 0 5 1 支持的中断源31 表格3 1 嵌入式f l a s h 读写时序3 4 表格3 - 2 部分微控制器产品的性能数据3 6 表格3 - 3a h b 桥接电路接口寄存器6 5 表格4 - 1 测试用例汇总一8 3 表格4 - 2 测试用例验证结果8 3 3 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝婆盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 致谢 光阴荏苒如白驹过隙。值此论文行将杀青之际，心绪一时无法平复，百感交集。感 叹书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。感慨论文写作期间悬崖勒马时的惊心动魄，又感 慨柳暗花明时笑逐颜开。回首攻读硕士学位两年时光中自己的成长，与师长和同仁的帮 助是分不开的! 衷心感谢我的恩师沈海斌副教授。从大学四年级进入实验室到现在将近三年的时光， 他在科研工作中严谨求实的治学态度，精益求精的精神更有勤勉不懈的工作态度都深深 感染了我。 感谢研究所的其他老师，严晓浪教授、吴晓波教授、何乐年教授、史峥副教授，王 国雄老师、竺红卫老师、张培勇老师等，他们在日常生活中向我传递着对于这个学科的 认识。同时感谢他们在日常教学等事务中所给予的帮助。 还要感谢我的同仁们： 感谢李磊、杨军、阳烨、李晓明、楼斌、黄凯师兄曾给予的帮助和指导。 感谢汪翼、胡国兴、楼久怀、樊俊峰、陈华锋师兄和周佳筠师姐；感谢朱建银、周 永东、赵旭鑫、何一凡、陈晓辉师兄和叶院红、赵晓玲师姐。感谢赵为、罗江、周洲、 周喜川、董文箫、曹葵康、侯宁宁、钱晓华、冯国友、郑德品、张志文、缪志宏、陈国 华师兄和周丽娜、潘辉师姐。 感谢一起免试攻读硕士学位的俞海乐、明朝燕、张智同学。 特别感谢尤荣权、金意儿师兄，能与他们一同参加2 0 0 6 年的竞赛对我而言是极其宝 贵的学习经历。 特别感谢孟建熠、孟听、李德贤、全励师兄和麻巍同学，2 0 0 7 年夏天代表浙江大学 参加研究生电子设计竞赛的经历令人难忘。一起备战的日子还有在北京的一幕幕至今还 是时常浮现在我的眼前。 特别感谢下面与我朝夕相处的同事：梁田、袁生光、周功待、侯咏佳、刘洪庆、李 刘林、王嗣平、朱禹、张昀、张倩同学。 还要感谢远在家乡的父母的养育之恩，感谢浙江大学超大规模集成电路研究所提供 的卓越平台以及母校浙江大学的良好氛围。 还有其他许多值得感谢的对象，不能一一致谢。对你们的感谢将长久留在我的心中。 浙江大学硕十学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 1 绪论 正文 本章主要介绍了微控制器的发展历史与现状，s o c 时代微控制器的发展趋 势和新的应用价值，简要介绍了商用s o c 总线和无晶圆设计公司所依赖的代工 厂工艺的发展现状。 在此背景下说明了本课题拟要研究的内容，并论述了相关领域国内外的研 究和产品研发现状。在对已有研究成果进行分析的基础上，本课题拟定了研究 内容，并在此论文中分章节详细地加以论述。 1 1 引言 1 1 1 集成化发展趋势 “他发明了集成电路，他的发明改变了世界。他寡言，他谦虚。他保持技 术本色，他遵守科学原理。他已逝去。篇报道杰克基尔比( j a c kk i l b y ) 的报 道中这样描述他。基尔比于1 9 5 8 年在美国德克萨斯仪器公司( t i ) i 作期间发 明了集成电路，他因而在2 0 0 0 年获得了诺贝尔物理学奖。同时为集成电路做出 奠基作用的还有美国英特尔公司( i n t e l ) 的创始人菲利普诺伊斯( p h i l i p sn o y c e ) ， 他几乎同时以另外的方式发明了集成电路。 不可否认的是，集成电路的发明将系统微型化技术从真空管时代、电子管 时代带入了集成电路时代。历史学家认为第一次工业革命以机械化为主要特点， 使人类社会进入了“蒸汽时代 ；第二次工业革命以电气科学的发展为依托，使 人类文明进入了“电气时代 ；而第三次工业革命则以电子科学的突破性发展为 基础，而从1 9 6 0 年代到现在，集成电路成为电子技术发展的龙头和根本推动力， 人类文明正步入“信息化时代 。正如诺贝尔评审委员会对基尔比的贡献所作的 评价一样：“为现代信息技术奠定了基础”。 回顾集成电路的整整5 0 周年的发展史( 文献【2 】罗列了5 0 年间的大事) ，不 难发现技术朝着不断满足人们日益增长的对信息传输、存储和处理能力的要求。 一4 一 浙江大学硕二l ：学位论文 a h b 接l - l8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 集成电路不断向更高的集成度、更高的性能密度和更低的功耗密度方向发展。 特别是进入上世纪9 0 年代以来，随着深亚微米工艺时代的来临，伴随逻辑综合 等设计自动化技术的发展，伴随单片集成系统( s y s t e m o n c h i p ) 设计方法的提出 和推广，并在计算机、通讯和消费电子应用( 3 c ) 需求的拉动下，集成电路产业 特别是设计产业已经进入了s o c 时代。 1 1 2s o c 与设计重用 s o c 顾名思义就是将计算机或电子系统的所有部件集成于单一的一块硅片 之上。它可能包含数字模块、模拟模块、混合信号处理模块甚至射频功能模块 等等。它可以认为是微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 的延续和发展。微控制是可编程 的芯片，不仅包含处理指令的处理核心，通常还包括一定的片上的存储单元和 内置的外设，同时提供通用的i o 口线以便通过片外额外存储和外设组成p c b 上的系统。s o c 涵盖微控制器，并可以用以指代具有更为复杂的系统组成的单 一芯片，它可能包含更为强劲的处理器核心，更多的片上存储容量和类型，甚 至包含数字信号处理核心、图形计算核心等等更为复杂的功能单元。 s o c 是集成化在新阶段的代名词。它的设计方法学的关键技术可以归纳为 以下三点【3 】： i p 设计和重用； 软硬件协同设计； 深亚微米超深亚微米工艺； 设计重用技术( d e s i g n r e u s e ) 是其最基本的内涵。可重用的设计虽然为设计 者提出了更高的要求，但是所带来的优点赢得宝贵的上市时间( t t m ) 。优良的 可重用i p 核通常是一系列资料的集合，除描述硬件结构本身的设计资料外( 可 能以可综合h d l 源码、h d l 网表源码、e d i f 网表文件或e l f 文件等等) ，还 包含进行综合、静态时序分析、后端布局布线、可测性分析等等后端物理实现 的辅助脚本，包含r t l 级的仿真脚本、门级网表级的仿真脚本，包含关于源码、 脚本和i p 使用说明的详细文档。最终的可重用口硬件实体的存在形式可以分 为软核( s o f tc o r e ) 、固核( f i r mc o r e ) 和硬核( h a r dc o r e ) 。目前业界还没有统一的 关于m 资源的描述标准。 一5 一 浙江大学硕上学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 缺乏统一的i p 资源的描述标准，使得共享i p 资源以及利用不同厂商提供 的不同m 进行系统设计时存在困难。目前工业界和学术界在不断进行口资源 标准化的制定工作，也有学者提议中国在m 资源的标准化领域应该做出自己的 贡献嗍。目前正在运作的标准化机构和组织包括v s i a 注1 、o c p i p 注2 和s p i r i t 联盟妒等。 v s i n ( v i r t u a is o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) 是最早的标准倡导者。基本目的是明 确口交付使用时应提交的文档和设计数据，规范设计文档和数据格式，以 便于不同口设计者应用不同工具、在不同设计层次所创建的d 能够顺利 地集成到s o c 中。 o c p i p ( o p e nc o r ep r o t o c o li n t e m a t i o n a lp a r t n e r s h i p ) 在制定关于i p 核接口 的通用标准以实现“p l u g - a n d - p l a y 式的s o c 系统设计。目前制定了一些 列o c p 标准。 s p i r i t 联盟( s p i r i tc o n s o r t i u m ) 也在致力于推广i p 共享和复用标准，基本 思想是提供基于x m l 格式的i p 资源描述。目标是使p 集成更加自动化， 并得到e d a 工具的强力支持。此联盟成员更多具有工业背景，而主要e d a 公司和口提供商的参与为其发展提供了强大的内在动力。s p i r i t 指定的标 准已经提交i e e e 组织，并通过i e e ep 1 6 8 5 工作组进行标准化。同时其指 定的i p - x a c t 通过和d e n a l i 公司的s y s t e m r d l 标准联姻，在业内受到越 来越多的关注和欢迎。目前如a r m 、m i p s 等众多妒提供商都提供了 i p - x a c t 标准的支持，同时如c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o rg r a p h i c s 等e d a 公司也在其开发平台提供了i p x a c t 标准的支持，很可能成为事实标准。 提供可重用的p 给设计者提出了更高的要求。i p 设计者需要在设计初期 计划i p 可能重用的多种应用场合，可能涉及多种总线标准、多种制程工艺等等。 软核虽然存在知识产权保护等难题，但其提供的灵活性和调试的透明性受到众 多s o c 集成企业的欢迎。目前已有如文献h 2 】等书籍对可重用软核i p 设计方法 进行了系统而详尽的阐述。 注1v m u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ( v s i a ) ：h t t p ：w w w v s i o r 型 注2 ：o p e nc o r ep r o t o c o li n t e r n a t i o n a lp a r t n c r s h i p ( o c p i p ) ：h t t p ：w w w o c p i p o r 空j h o m e 注3 ：s p i r i tc o n s o r t i u m ( s p i r i t ) ：h t l p ：w w w s p i r i t c o n s o r t i u m o r g j h o m e 一6 一 浙江人学硕十学位论文a h b 接口8 0 5 l 兼容处理器i p 设计研究 1 2 研究背景 利用s o c 芯片，嵌入式系统产品蓬勃发展。嵌入式系统通常与通用计算平 台相对定义。后者如个人计算机，在通用硬件上通过运行不同软件实现完成不 同任务。而嵌入式系统的开发则通常面向特定的应用领域完成一个或一系列功 能任务。设计工程师对硬件和软件进行面向应用的优化剪裁，提高性能和可靠 性，并通过批量生产降低单位成本。 一个嵌入式系统通常由处理单元、存储单元和通信接口单元三部分组成。 其中处理单元由系统的主控部件承载。它通常承载系统上软件的运行并调配控 制系统外围部件，通常以单一芯片的形式存在，称之为嵌入式处理器、嵌入式 微控制器等。而其中的处理器核心对系统特性起着十分重要的作用。在进行嵌 入式系统设计时，首要的任务便是根据应用需求的性能选择满足要求的处理器 核, 1 二, 1 5 , 3 2 1 。常见的处理器核心构架包括( 但不限于此) 6 1 ： 6 5 8 1 66 5 c 0 26 8 h c 0 86 8 h c l l 6 8 k 8 0 5 1a v ra r mb l a c k f i nc 1 6 7 c o l d f i r ec o p 8e z 8e z 8 0f r v h 8h t 4 8m 1 6 cm 3 2 cm i p s m s p 4 3 0p i cp o w e r p cr 8 cs h a r c s t 6 s u p e r h t l c s 4 7t l c s 8 7 0t l c s 9 0 0 嘶c o r ev 8 5 0 x 8 6x e 8 0 0 0z 8 0 这些处理器涵盖了微处理器( u p ) 和微控制器( u c ) 两类处理器核心，涵盖简 单指令集构架( r i s c ) 和复杂指令集构架( c i s c ) 甚至超长指令字长构架( v l i w ) ， 涵盖4 位到6 4 位构架，涵盖冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 构架和哈佛构架( h a r v a r d ) 。 各自满足了嵌入式系统中不同需求空间的要求。 3 2 位的微控制器或微处理器核心通常被认为满足高端需求，受到了开发者 广泛的关注。a r m 、m i p s 、x t e n s a 、p o w e r p c 、a r c 等等的处理器核心应用开 发如火如荼。相比而言8 位的微控制器或微处理器核心所能提供的处理性能有 限，因而被视为满足低端应用需求。 事实上，8 位处理核心仍然被用于满足广泛的应用需求。在汽车电子领域， 8 位微控制器仍然占据着主导地位，能够以极高的性价比实现控制需求。例如 一7 一 浙江大学l ：学位论文 a h b 接l i8 0 5 1 兼容处4 器p 酲计究 德国宝马公司( b m 的高端汽车产品7 4 5 i 豪华轿车采用了数十个8 位的微控制 器图1 - 1 。所1 目的低端产品并没有停滞不前。据i cl n s i g h t s 公司统计，2 0 0 4 年 8 位微控制器在总收入和发货量方面，8 位微控制器继续居于领先地位。分析指 mu r 综合町配置版本的8 位微控制器i p 在其中起到了币要的推动作用n 图m 1 微控制器在汽车电子应用示意图f 注 8 位微控制器日【j i 应片j 如何简单的川锌足其贯穿人们h 常生活的饵个环 汽午电r 领域：典型应用涉及汽车fj 锁、停车传感器、安哞= 气囊、a b s 防 爆，e 系统、牵引控制、导航控制、遥挣启动、电子罗盘、电子消音器、翻 车传感器、防盗控制与监视、“驾驶习惯”控制与监视、雨水传感器，舌4 水拧 制器、座椅控制器、无源及远程无匙丌锁、温度控制等等。 市政设施领域：典型应州涉及交通控制、雷达删速、红灯监视器、交通流 骨监视器、电子路标、街灯、加油站、p o s 终端、地铁卡和交通缴费 等。 室内应川领域：典型应用涉及灯光控制、电梯、采暖通肛i 等控制、币断 电源等等。 居家应川领域：典t ”应用涉及数字嗣钟、电动牙刷、电动剃须刀、吹风机、 咔啡机、微波炉、电饭锅等小家电，空涧、电冰箱、l 殁尘器等等白色家电。 注图片束自s i l i c o n l a b s 公日产品州贞 8 浙江大学硕士学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 医疗电子领域：典型的应用涉及植入式心脏复律除颤器、胃监视器、医院 库存控制、血粮试纸、电子体温计、计步器、骨科康复设备、偏头痛症状 缓解器、血压计、血糖仪、电子手术器械等等。 通过分析以上应用对微控制器的需求后发现，市场上提供的相应产品使 用了不尽相同的8 位微控制器，性能范围涵盖了从约每秒1 0 万条指令( 0 1 m i p s ) 到约每秒l 亿条指令( i o o m i p s ) ，从而说明8 位微控制器本身也覆盖了宽幅度的 产品性能需求空间。而多样的8 位微控制器产品得益于设计技术的发展。 1 2 18 位微控制器技术沿革 i n t e l ( 美国英特尔公司) 是世界上第一家设计和生产处理器芯片的半导体公 司，同时也是第一家设计与生产微控制器芯片的公司。1 9 7 6 年i n t e l 发布了第 一款4 位微控制器( m c u ) 8 0 4 8 ，被认为是微控制器的发端，其显著特点就在 于其集成了处理器内核、存储器和部分外设。i n t e l 从1 9 8 0 年开始开发8 位的 8 0 5 1 微控制器，后续产品逐渐形成经典的m c s 5 1 系列。由于其开放制造授权 的策略，使得如p h i l i p s ( 荷兰飞利浦半导体公司注5 ) 、s i e m e n s ( 德国西门子公司注 ) 等公司分别开始生产8 0 5 1 系列微控制器，8 位微控制器从此产生并逐步普及。 在8 位微控制器发展的历程中，第二供应源( s e c o n d s o u r c e ) 厂商起了重要 的推动作用。为满足各种需求，他们生产并发展了i n t e l 的m c s 5 1 微控制器， 产生出众多的8 0 5 1 衍生版本的芯片产品，发展凸显在以下三个方面： 一是处理器内核的发展：例如d a l l a ss e m i c o n d u c t o r ( 美国达拉斯半导体公司 注1 与1 9 9 3 年开发出4 个时钟周期为一个机器周期的高速结构，相比i n t e l 公司 m c s 5 1 原始1 2 个时钟周期的设计有大幅的提升，并因此获得产业界嘉奖。时 至今日，处理器内核又进一步减少到双时钟周期和单周期基于流水线设计的结 构，由体系结构带来的性能提升显著。例如a t m e l 的a t 8 9 l p 系列所采用的内 注5 ：p h i l i p s 公司的半导体部门于2 0 0 6 年9 月从p h i l i p s 脱离成立n x p s e m i c o n d u c t o r s ( 智浦半导体) 公司 h t t p ：w w w a n s w e r s c o m t o p i c n x p s e m i c o n d u c t o r s 注：s i e m e n s 公司的半导体部门于1 9 9 9 年4 月成立为i n f m e o nt e c h n o l o g i e s ( 英飞凌) 公司，仍然是s i e m e n s 的全资子公司。h t t p ：w w w a n s w e r s c o m t o p i c s i e m e n s - a g ? c a t = b i z - f i r t 注7 ：d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司于2 0 0 1 年被m a x i m ( 美国美信公司) 收购，并于2 0 0 7 年开始不再使用d a l l a s 品牌h t t p ：w w w a n s w e r s c o m t o p i c d a l l a s - s e m i c o n d u c t o r - c o _ r p o r a t i o n ? c a t = b i z - f i n 一9 一 浙江大学硕上学位论文 a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 核和c y g n a l 注8 公司的c i p 5 1 内核等。如今性能达到i o o m i p s 的产品也已出现， 如c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 0 系列等。 二是存储器的发展：例如a t m e l ( 美国爱特梅尔公司) 公司于1 9 9 3 年将 f l a s h 存储器与微控制器结合。发布的a t 8 9 c 系列产品以f l a s h ，补充早前 的r o m 、e p r o m 和e e p r o m 作为程序存储器的产品线，极大地提升了微控 制器的程序编程性，使得i s p i a p 等在线编程技术得以推广。除编程性外，访 问速度也是存储部分关键的参数，2 0 0 6 年r a m t r o ni n t e r n a t i o n a l ( 瑞创国际公司) 将f r a m ( 铁电随机存储器) 作为非易失数据存储器，使高速非易失存储器在微 控制器领域有新的发展。 三是外围设备集成的发展：仅就接口模块而言，例如s t m i c r o ( 意法半导体 公司) 的s t 7 系列8 位微控制器就集成了u s b 2 0 接口，并包含全速、高速和低 速系列化的产品。而其u p s d 系列8 位微控制器具有更为灵活的外设，集成了 可编程的逻辑单元。目前商用8 位微控制器产品所集成的外设的范围，从通用 数字i o 到汽车电子领域常用的c a n 总线，从1 2 c 等串行总线到e t h e m e t 接口， 从有线接口e t h e m e t 到无线接口z i g b e e 。同时如a d c d a c 等模拟模块也正成 为微控制器所集成的外设。甚至包括可编程逻辑单元。这些方面的发展都是早 年仅仅集成串行通信和计数功能外设的m c s 5 1 所不能比拟的。需求催生了 c y g r 出公司的c 8 0 5 1 系列微控制器，以及c y p r e s s ( 赛普拉斯公司1 基于8 0 5 1 兼 容内核的可编程s o c 的诞生。 如果8 位微控制器只停留在8 0 年代的水平，它必然丧失生命力。但是构架 的沿革和工艺的发展使得8 位微控制器延续了顽强的生命力。同时可综合微控 制器“软核 的出现使它可以更快地利用最新工艺技术的优势。并且由于可配 置性，设计者可以根据需求进行量体裁衣。 1 2 28 位微控制器内核与s o c 众多半导体厂商通过获取i n t e l 的授权得以生产8 0 5 1 指令集兼容的微控制 器，并逐步发展出众多衍生版本。同时8 0 5 1 也并非市场上唯一的8 位微控制器 注：c y g n a l 公司于2 0 0 3 年被s i l i c o nl a b s 公司收购。 一1 0 浙江大学硕上学位论文a h b 接口8 0 5 1 兼容处理器i p 设计研究 内核结构，表格1 1 列举了主流的8 位微控制器及其处理器内核。 鬣鍪羲= 黧墨墨2 鼢獬一1，研p 舛；z哪_ 4 绣女，稚： 瑟磷蘸臻= 润 ；。嬲8 0 5 1 系列内核”8 i n t e l a t m e l a v r c y p r e s s 、， f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) 6 8 h c 0 5 及派生 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) ， j ”j m a x i m ( d a l l a s s e m i c o n d u c t o r ) m i c r o c h i pt e c h n o l o g y p i c n e ce l e c t r o n i c s7 8 k o n x p ( p h i l i p s ) ， 、。 ： 、| 。 ， r e n e s a s ( h i t a c h i m i t s u b i s h i ) h 8 r 8 s i l i c o nl a b s ( c y g n a l ) s i l i c o ns t o r a g et e c h n o l o g y s t m i c r o e l e c t r o n i c s 、， w i n b o n d 、， 。i ， “， z i l o g z 8 z 8 0 表格0 - 1 市场上主流8 位微控制器及其使用的处理器核心 表格1 - 2 中列举了常用的8 0 5 1 兼容内核i p ： 翩翩鲻骥琵= 霾荔瑟愿戮愿戮曩 a c t e lc o r e 8 0 51 d i g i t a lc o r ed e s i g n ( d c d ) d p 8 0 5 l d o l p h i ni n t e g r a t i o nf l i p 8 0 5 1 m e n t o rg r a p h i c sm 8 0 5 l s y n o p s y s d w 8 0 5 1 o r e g a n os y s t e m s m c 8 0 5 l 表格0 - 2 市场上主流的8