（微电子学与固体电子学专业论文）五级流水pic16c5x+mcu+ip+core设计.pdf

摘要 论文题目：五级流水p i c l 6 c 5 xm c ui pc o r e 设计 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：苏玲珑 。指导教师：卢刚 摘要 签名： 签名： 本文设计了一款与m i c r o c h i p 公司p i c l 6 c 5 x 系列8 位m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 指令集相兼容的m c ui pc o r e 。该i p 核为r i s c ( 精简指令集) 结构，仅3 3 条指令。采用哈 佛总线( 数据总线与指令总线相分离) 及五级流水线结构，显著的提高了指令的执行速度。 综合报告显示，最高工作频率可达1 2 0 m h z 。相对于传统的i n t e l 公司的8 0 c 5 1 系列m c u ( 1 2 个c l o c k 周期为一个指令周期) ，速度提高近7 2 倍。相对于m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 7 ， 速度亦提高近2 4 倍。 该课题完全采用自顶向下( t o p d o w n ) 的正向设计方法，兼容性和速度是考虑的两个 主要因素。在详细分析r i s cm c u 体系结构的前提下，进行了系统级别的划分和新的指令 执行时序的设计，最终设计了r i s cm c u 软核的数据通路。采用v e r i l o g 硬件描述语言对 数据通路中的各子模块进行描述，并完成m c u 软核的组装。利用m o d e l s i m 6 3 软件对各子 模块进行了仿真和对整合后的顶层模块完成了指令集测试。利用s y n p l if y 8 6 软件完成 i p 核的综合，o u a r t u s 6 1 完成布局布线及后续的f p g a 下载配置工作，最终成功的在 a l t e r a 公司的c l y c l o n e l i 系列的e p 2 c 5 q 2 0 8 c 芯片上实现该m c u 软核。 利用m c u 软核设计一个简单的流水灯程序，在锁相环产生的1 7 5 m h z 的频率下，流水 线灯程序可以正常工作。通过流水灯实验，对运用m c u 软核进行f p g a 开发的方法进行了 论述，为m c u 软核的应用打下坚实的基础。 关健词：p i c l 6 c 5 x ：m c u ；i pc o r e ；r i s c ；f p g a ； 本研究得到陕西省教育厅计划项目( 批准号：0 4 j k 2 5 0 ) ，西安理工大学校特色研究基金( 课 题编号：2 1 0 4 0 2 ) 和高学历人才基金( 课题编号：2 2 0 4 1 0 ) 的资助。 缢抄 t i t l e ：f i v el e v e l sp i p e l i n ep i c l6 c 5 xs e r i e sm c u i pc o r ed e s i g n m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i de l e c t r o n i c s n a m e = s u l i n g l o n g s u p e r v i s o r = a s s o c i a t ep r o f l ug a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fa l l8 - b i tm c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) i pc o r e ，w h i c h a d o p t st h ei n s t r u c t i o ns e to fp i c l 6 c 5 xs e r i e sm c u t h ei pc o r eb a s e do nr i s ca r c h i t e c t u r e o n l yh a s3 3r e d u c e di n s t r u c t i o n s h a r v a r da r c h i t e c t u r ea n df i v el e v e l sp i p e l i n es t r u c t u r ea r e u s e dm a k et h ep r o m i n e n ti m p r o v e m e n ti np e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h es y n t h e s i sr e p o r t ，t h e s u p r e m eo p e r a t i n gf r e q u e n c yc a nr e a c h12 0 m h z a st o8 0 c 5 1s e r i e sm c uo ft r a d i t i o n a li n t e l c o m p a n y ，t h ep a c ei m p r o v e sn e a r l y7 2t i m e s a n dt op i c l 6 c 5 7o fm i c r o c h i pc o m p a n y ，t h e p a c ea l s oi m p r o v e sn e a r l y2 4t i m e s t h i st h e s i st o t a l l yu s i n gt o p - d o w ni cd e s i g nm e t h o d ，t h ec o m p a t i b i l i t ya n d w o r k i n gs p e e d a r et w oi m p o r t a n tf a c t o r si nc o n s i d e r o nt h ep r e m i s eo fa n a l y z i n gt h es y s t e ms t r u c t u r a lo ft h e r i s cm c u ，d e s i g n e dt h ef i v el e v e l sp i p e l i n es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h en e wo r d e ro fi n s t r u c t i o n e x e c u t i n g ，d e s i g n e dt h ed a t ap a t ho ft h em c uf i n a l l y d e s c r i b e dt h em o d u l ei nt h ed a t ap a t h a n di nv e r i l o gh d la n da s s e m b l e da l lm o d u l e st o g e t h e r d os i m u l a t i o nw i t hm o d e l s i m 6 3 ， s y n t h e s i sw i t hs y n p l i f y 8 6a n dp l a c ea n dr o u t e a n dd o w n l o a dw i t hq u a r t u s l i a tl a s t ， s u c c e s s f u l l yd o w n l o a dt h em c u i pc o r et ot h ef p g ao fe p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 a s i m p l ep i p e l a m pp r o c e d u r ei sd e s i g n e dw i t ht h em c u i pc o r e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o wt h ei pc o r ec a nw o r ku n d e r1 7 5 m h z t h ep a p e rc a r r i e do nd e t a i l e d a r g u m e n t a t i o na b o u tt h ef p g aa p p l i c a t i o n ，c r e a t e ds o l i df o u n d a t i o ni nf p g aa p p l i c a t i o nw i t h t h em c ui pc o r e k e yw o r d s ：p i c l 6 c 5 x ；m c u ；i pc o r e ；r i s c ；f p g a ； 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：芝麟 撕年 多 月万日 学位论文使用授权声明 本人荔2 垒褴在导师的指导下创作完成毕业论文。本人己通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：黜导师签名：声l 幽年3 月石日 引言 1 引言 1 1m c u 的现状及其发展方向 从电动玩具、家用电器到消费电子、汽车电子、工业应用等，m c u 已经遍布了生活 的各个角落。正因为m c u 的应用五花八门，市场无限广阔，使得m c u 领域不容易出现 像c p u 、f p g a 领域那样被行业几大巨头垄断的局面，m c u 厂商只要能够凭借差异化的 产品切中某一产业或某一应用的控制需求，就能在市场上争得一席之地。产品的差异化己 成为m c u 的一个发展趋势，各厂商追求差异化使得整个m c u 领域从低端8 位产品到高 端3 2 位产品，从核心架构到外围器件都在不断演绎着拓展与创新 1 1 。 1 1 1m c u 的现状 a 8 位机依然占据m c u 市场的半壁江山 8 位m c u 从2 0 世纪7 0 年代早期面世以来，至今历经3 0 于载，期间也不乏为功能 更强大的_ 1 6 位和3 2 位产品取代，但8 位产品却依然占据m c u 市场的半壁江山。而且， 近几年，随着厂商们不断推出各自的差异化产品竞争市场，也使得8 位m c u 在核心处理 能力、内部存储资源、外围集成、应用领域以及减小体积和降低成本方面都不断有新的起 色。 m i c r o c h i p 在8 位领域专注多年，并在市场上保持着领先的地位。除了技术特色外， 品种齐全，种类繁多是其在8 位市场获得大量份额的关键，其8 位m c u 的应用范围涵盖 了消费电子、家电、医疗设备及工业控制等多个领域。低成本、高性能是8 位m c u 的追 求目标。针对成本敏感的消费电子、家电等的应用，m i c r o c h i p 新推出的p i c l 8 f 4 5 j 0 系列 是一种高性能的选择。改系列产品在3 v 工作电压下，运行频率可达到4 0 m h z ，配备3 2 k b 闪存程序存储器，集成了1 0 位a d c 、比较器、u s a r t 、s p i 、1 2 c 和p w m 等外设。另 一个m c u 巨头飞思卡尔的策略是继续发挥其中8 位产品方面的优势，将8 位产品向超低 端和稍高端两个方向扩展。最近推出的r s 0 8 超低端h c s 0 8 的简化版本，体积比传统内 核小了3 0 ，带有与h c s 0 8 类似的精简指令集和与之兼容的硬件调试接口，能实现大多数 嵌入式应用的紧凑高效编码，在闪存不到1 6 k b 、引脚较少的设备中使用。z i l o g 的8 位产品则非常关注马达控制、数字电源管理、远程遥控等领域。其z 8e n c o r ex p ! 系列产 品能提供高水平的软件技术，并提供t c p i p 堆栈。用户可根据自身的需要对堆栈进行配 置。z 8e n c o r ex p ! 同样集成了一些为特定应用设计的外设器件，如用于打印机的a d c 、 用于智能卡的磁条识别器等。同时，z 8e n c o r ex p ! 还具有很好的安全特性。除了上述提 到的几家厂商外，像s t 、p h i l i p s 、a t m e l 等都在8 位领域有着各自独特的产品策略，如 a t m e l 的a v r 系列、s t 的s t 7 系列等都在市场上有着活跃的表现。8 位m c u 市场依然 西安理工大学硕士学位论文 “百花齐放，百家争鸣 ，发展势头旺盛。 b 1 6 位于夹缝中谋发展 相对于不胜枚举的8 位m c u 厂商来说，1 6 位m c u 厂商的数目则相对较少。当然这 与1 6 位产品中没有像8 0 5 1 和a r m ，m i p s 这样成熟的8 位和3 2 位架构有很大关系。另 外，加上1 6 位市场受到8 位产品向上游渗透和3 2 为产品向下游渗透的双重挤压，其市场 空间越来越小，使很多厂商为1 6 位产品生存能力担忧，致使他们并不看好1 6 位市场。尽 管1 6 位产品受到8 位和3 2 位产品的低追高堵，但是还是有很多业者看到了1 6 位市场的 机会和发展潜力，执着的在1 6 位领域耕耘或者是开始进军1 6 位市场。 飞思卡尔将其1 6 位产品主要锁定在汽车电子领域。随着汽车智能化进程的加快，很 多控制对精度的需求也越来越高。仪表控制、a b s 、安全气囊等原来由8 位产品控制的部 分，今后将逐渐成为1 6 位产品的市场。另外随着1 6 位产品的性能提升，其在发电机控制、 导航系统、车载娱乐系统等高端领域也会赢得一定市场空间。m i c r o c h i p 是1 6 位市场的一 个新的竞争者。其独特之处在于，所有1 6 位产品都是基于8 位产品创新而来，在核心外 设、引脚、开发工具等方面都与8 位产品兼容，在性能、存储器和外设方面进行了拓展， 使其原来广大的8 位产品用户，能方便、快捷、经济地无缝迁移到1 6 位产品上来。产品 的处理能力达到4 0 m i p s ，同时保持了嵌入式控制应用所需的架构效率，如迅速的中断响 应、极佳的位操作和业界领先的c 代码效率。 c 3 2 位主要应用于高端市场 3 2 位产品主要面向高端应用。市场调研机构i n s t a t 预测，3 2 位m c u 应用主要在智 能卡。然而，增长点主要来自下列设备，如无线数字设备、p cd v d 、读码机和安全设备 等。相对1 6 位产品来说，3 2 位更被业界看好。 m i p s 是活跃在m c u 领域一个口核供应商。随着性能需求的提升，融合d s p 处理 能力的多核架构将是3 2 位m c u 的一个发展趋势。但是多核架构必然会在体积和功耗上 增加系统的负担。m i p s 针对这种现状，基于m i p s 3 23 4 k 内核开发出了一种多线程 ( m u l t i t h r e a d i n g ) 处理技术。通过这种技术，m i p s 3 23 4 k 能够实现多核处理性能，但却 保持者单核处理器的体积和功耗。飞思卡尔最近推出的c o l d f i r ev 1 内核，是业界首款8 3 2 位兼容架构。c o l d f i r ev 1 与其8 位9 s 0 8 产品的管脚兼容，共用外设和开发工具，将3 2 位产品的性能和8 位产品的易用性很好的结合到一起。未来随着3 2 位产品的成本将进一 步降低，致使3 2 位产品会抢占一些1 6 位市场，很多8 位用户将会跃过1 6 位产品直接过 渡到3 2 位产品上来。 2 引言 1 1 2m c u 的发展方向 综观近三十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、 扩大储存容量和加强! o 功能及结构兼容方向发展t 2 1 0 预计今后的发展趋势不外乎如下几 个方面： 微控制器的c u p 核仍以c i s c 为主，但向r i s c 演化，在传统微控制器领域内还是以 当初i n t e l 确立的哈佛结构( 程序和数据存储器相分立的体系) 和复杂指令集系统( c i s c ) 为主。只有少数厂家生产精简指令集计算机，但任保留了哈佛的分立存储器结构，并没有 采用冯诺依曼的程序序、数据相合并的存储结构。少数生产r i s c 的计算机厂家有 m i c r o c h i p 的8 位p i c 系列微控制器、a t m e l 的8 微a v r 微控制器等。这些厂家都使用了 快速闪存( f i a s h ) 存放程序。 a 提升指令的执行速度 提高8 位机的振荡器的频率或减少每个机器包含的振荡器周期数都可以提高指令的 执行速度。如p h i l i p s 公司把1 2 m h z 的8 0 c 5 1 从每机器周期所含振荡器周期数由1 2 改为 6 ，获得2 倍速，w i n b a n d 公司由1 2 改为3 ，获得4 倍速。目前，8 位微控制器的频率一 般可以高致3 3 m h z - - - 4 0 m h z ，所以，可以比较容易的从原来的1 m i p s 提高到1 0 m i p s 。 但是，目前指令执行速度提高到5 0 m i p s 1 0 0 m i p s 的都是r i s c 指令的8 位微控制器。 b 。集成大容量片上f l a s h 储存器，实现i s p 、l a p 近几年，8 位微控制器竞相采用f l a s h 存储器，这已经成为趋势。因为它集成密度 高，价格便宜，技术先进，可以取代p r o m 、e p r o m 、o t p 和e e p r o m 等。s l i c o n s t o r a g e t e c h n o l o g y 公司用s u p e r f l a s h 技术生产了兼容于8 0 5 1 的f l a s h f l e x 5 1 系列芯片。利用f l a s h 可高速读写的特点实现在系统烧录程序( i s p ) 和在应用中烧录程序( 1 a p ) 。i s p 技术是 在焊接成板的系统上，直接对微控制器进行擦除和程序烧录的先进技术。s s t 和l a p 技 术，是从结构上将f l a s h 存储器影像为两个存储体，当运行在一个存储体上的程序时， 系统在后台对另一个存储体实时烧录更新程序，之后再控制转向更新的程序执行。 c 普遍使用混合信号( 数字模拟) 集成技术 用c m o s 工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上的技术已经成熟，有力削减了片 外的附加器件，提高了性能和缩短了产品上市时间。如片上集成电路1 2 位a d 、上电复 位掉电检测、捕捉比较p w m 、锁相环、8 x 8 硬件乘法器，以及u s b 、c a n 总线接口 等。 3 西安理工大学硕士学位论文 d 增加可联网的外设接口 要求将内嵌8 位微控制器的设备接入i n t e r a c t 的呼声渐高。虽然联网的主流应用多是 使用寿命3 2 位的高档微处理器，但是，如果能生产高速率的8 位微控制器实现某些针对 性的专用设备上网，未尝不是一条蹊径。目前使用m c s 5 1 系列的8 3 c 5 1 l 生产独立键 盘、小型硬驱动和掌上电脑的不少。但是，8 3 c 5 1 k b 缺少与i n t e r n e t 的连接部分。许多厂 家已经看到给8 位微控制器配上b l u e t o o t h 、e t h e r n e t 和i n t e r n e t 网络接口的需要，众多方 案正在涌现。 e 追求低电压、低功耗、低价位 降低工作电压无疑可以成平方地降低功耗。所以开始出现多供电电压的微控制器， c p u 部分工作于1 5 v 2 5 v , 而i ol it 作于3 3 v - - 5 v 。为实现低功耗，应尽可能多地将 外围设备集成于同一片上，从而可以一同暂停、一同休眠或部分运行。如n e c 设计了可 配置成部分全速运行、部分暂停，使用户对功率的管理更加方便灵活、有效。 1 2s o c 技术的发展 2 1 世纪，微电子科学与技术将是集成系统芯片( s o c ) 的时代，集成电路0 c ) 将发展为 集成系统芯片。i c 芯片是通过印刷电路板( p c b ) 等技术实现整机系统的。尽管i c 的速度 很高j 功耗很小，但由于p c b 板中i c 芯片之间的连线延时、噪声、p c b 板可靠性以及 重量等因素的限制，整机系统性能受到很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压 和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路己无法 满足性能日益提高的整机系统的要求。随着i c 设计与制造技术水平的提高，集成电路规 模越来越大，目前已可以在一个芯片上集成1 0 8 - 1 0 9 个晶体管。正是在需求牵引和技术 推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的集成系统芯片略11 4 1 。 1 2 1s o c 芯片关键技术 a i p 核复用技术 s o c 设计基础是i p 核复用，有效地复用i p 核成为s o c 发展的关键技术之一。建立 工业i p 核标准及发布i p 核的基础设施，使工i p 核获取渠道畅通。一个s o c 芯片可能包 含上百个i p 核，没有一家公司或企业可以完全拥有所需要的口，为适应上市时间的要求， 从外界获得i p 核已经成为当务之急，如果这样的渠道不畅通，i p 核用户不能及时得到他 所需要的i p ，势必成为阻碍s o c 工业发展的瓶颈解决这一问题的办法就是建立i p 核标 准及发布口核的基础设施。虚拟元件交易门户v c x ( v i r t u a lc o m p o n e n te x c h a n g e ) 、虚拟 元件交易门户d & r ( d e s i g n r e u s e ) 等是从事i p 电子商务的组织，使i p 核的交易在一种 4 引言 有效的、国际化、开放的市场基础设施内进行，从而提高口的交易效率促进远程m 的采 购与销售，并为i p 的交易提供法律和业务方面的服务。 b s o c 对e d a 提出更高的要求 随着集成电路集成度的提高，s o c 对e d a 提出更高更苛刻的要求，从目前来说，满 足s o c 设计软件开发已经成为当前e d a 行业的一个主要研究课题。这个问题不难理解， 因为e d a 技术是受需求驱动而发展的，总体来说，e d a 产品总是要落后同一时代的尖端 设计需求。随着信息技术的发展，e d a 技术必然吸收信息技术的营养，从而突破设计上 的时空限制，完善软、硬件协同设计技术s o c 的设计流程比传统的i c 设计复杂得多，需 要的工具和语言也更加多样化。一个统一的多用途语言就可减少这种麻烦，在设计流程中 一个部分的代码可在另一个部分复用，这就可以加速s o c 的设计过程，并减少出错的可 能。 c s o c 对算法和内部电路系统结构提出更高的要求 在新一代s o c 设计领域，需要重点突破和创新的问题还包括实现系统功能的算法和 内部电路系统结构二个方面。纵观微电子技术的发展史，每一种算法的提出都会引起一场 变革。例如维特比算法、小波变换等技术都对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的 作用。目前神经网络、模糊系统理论正在发展。利用新理论构造新的算法是今后片上系统 s o c 设计领域的重要研究课题之一。在电路系统结构方面，由于射频、存储器件加入到 s o c ，使得s o c 的电路系统结构和工艺己经不是传统的结构。因此需要发展更灵巧的新 型电路结构。为实现粘连逻辑，需要对新的逻辑阵列技术做系统、深入的研究。 1 2 2s o c 芯片技术发展面临的问题 s o c 制造商与用户的关系。 芯片制造商在构思新品时就要让用户参与。在s o c 设计时，要早期超前与用户共同 商量和研究，这就涉及一个高度信任的问题，为了做好用户的保密工作，有的公司安排不 同的设计组，并指定专人与用户接触，不得随意扩散。今天，芯片制造商之间的竞争不仅 来自对手也将来自用户。因为用户已能自己设计并通过代加工得到所需的i c 。 b 缺乏复合型人才 s o c 的设计实际上是一个系统的设计，要求设计者具有宽广和专门的知识，既要具 有模拟电路专长，又要具有数字电路特长，要具有丰富软件知识。目前世界上各大半导体 5 西安理工大学硕士学位论文 公司都深深感到设计s o c 人才的匾乏，连i c 发源地硅谷的各大公司也感到综合技术人才 的严重短缺。 c e d a 工具的能力 目前e d a 工具还不够成熟，其处理能力己跟不上s o c 工艺的发展，未能充分发挥 s o c 的性能。设计优化和高效率的i p 表达法将是e d a 产业未来应解决的问题。而面向 不同系统的软件和硬件的功能划分理论支撑软、硬件的协同设计，其中不同的系统涉及各 种计算机系统、通信系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等。 d i p 兼容性与多样化 现行标准能否兼容以前设计的i p ，如何使用其它公司开发的i p ，能否制订出一个i p 设计和再利用的国际标准等问题都有待于进一步解决。另外，在综合不同来源的i p 时， 逻辑综合软件由于不能改变硬口模块的内部逻辑与时序，使整个芯片的速度面积比及时 序预算不能达到最佳值，最终影响芯片的整个性能。目前，i p 处于紧缺状态，急需的i p 核有：a d d a 类口核；数字家电类口核，如j p e g ，m p e g z 编解码器；移动通信类i p 核， 如卷积码、t u r b o 码编译码器、r e e ds o l o m o n 编译码器、b l u et o o t h ：信息处理类口核，如 高性能f f t o 和h 叫快速傅里叶变换和反变换) 、正变换和反变换组合在一起的离散余弦 变换器、d e s 加密解密处理器等。 e 测试、封装与散热更高的要求。 s o c 芯片内部非常复杂，研发制造的技术一直处于持续改进的状态，涉及数字和模 拟电路的综合测试，测试技术难度较大，使得系统芯片( s o c ) 的测试成本几乎占芯片成本 的一半，因此未来集成电路测试面临的最大挑战是如何降低测试成本。s o c 芯片中在测 试上遇到前所未有的难题有：晶体管的数目越来越多；为了符合顾客的需求，芯片所提供 的功能越来越多；各个不同功能模块运作的频率往往不同：各功能模块所使用的电压也可 能不同；各功能模块的测试原理也不相同；如何能有效进行s o c 芯片的测试工作，是学 术界、产业界与各个研究单位都在努力解决的问题。另一个要解决的问题是提高模拟电路 的测试速度。由于集成度不断提高，引线间距过窄，会增加封装难度，从而增加封装成本； 由于电路集成度过高，布线层数增多，必须解决散热技术问题。 1 3i p 核产业的发展 s o c 的发展使得系统设计日益复杂，设计业出现了专门从事开发各种实现不同功能 的i p 核的专业公司，设计者以i p 核作为基本单元进行设计，并把这些i p 核提供给其它 系统设计者使用。i p 核是可以复用，可以交易，符合一定标准的集成电路模块及配套文 6 引言 件。i p 核的出现是集成电路产业分工的结果，一些公司专注于自己的技术特长，开发不 同类型的，经过验证的i p 核，而另一些公司在复用这些口核的基础上设计集成电路。m 核的复用既缩短了系统设计周期，又提高了系统设计成功率。 1 3 1 世界i p 核产业快速发展 赛迪顾问数据显示，2 0 0 7 年，全球s o c 市场需求额将达到7 5 0 亿美元，占同期半导 体市场2 9 左右，2 0 0 1 年一2 0 0 6 年的s o c 产品平均增长率为1 7 2 ，高于世界半导体同 期市场的增长率1 3 。2 0 0 6 年全球s o c 产品设计8 5 都是采用以口核为主的预定制模 块，而2 0 0 3 年这一比率仅为5 0 ，i p 核已经成为主流芯片设计的核心构件。口核复用大 大降低了s o c 模块设计的难度。口核作为s o c 的重要支撑部分，其质量的好坏、数量 的多少、系统整合的难易、保护是否得力以及成本等因素越来越成为影响s o c 发展的重 要因素。在国外，i p 核专营公司日见增多。目前自主开发和经营i p 核的公司有a r m 、 m i p s 、t e c h n o l o g i e s 、r a m b u s 及v i r a g el o g 等。以a r m 公司为例，从1 9 8 5 年设计开发 第一块r i s c 处理器口核模块，到1 9 9 0 年首次将其i p 核专利权转让给a p p l e 公司，到目 前全球共有诸如i b m 、t i 、p h i l i p s 、n e c 、s o n y 等几十家公司采用其口核开发自己的产 品。赛迪顾问数据显示，口核作为在集成电路产业中增长最快的一部分，1 9 9 8 年口核的 销售额为二3 6 亿美元，到了2 0 0 4 年销售总额达2 9 4 亿美元，到2 0 0 7 年口核的销售额将 达到4 0 亿美元以上。 1 3 2i p 核设计：中国集成电路产业的突破口 a 中国i p 核产业现状 中国对s o c i p 产业非常重视，信息产业部于2 0 0 2 年批准成立了“信息产业部集成 电路i p 标准工作组0 p c g ) ”，负责制定中国的i p 核技术标准，后来又成立“信息产业部 软件与集成电路促进中心( c s i p ) ”和“上海硅知识产权交易中一已, ( s s r p e x ) ”，表明中国的i p 核交易基础机构已经逐步建立起来，为口核标准的应用和推广奠定了基础。2 0 0 4 年，由 c s i p 筹建的国家口核库正式成立，并开始正式向集成电路s o c 设计商，制造商提供服 务。2 0 0 5 年8 月由信息产业部软件与集成电路促进中- l , ( c s i p ) 、大唐微电子、神州龙芯、 苏州国芯、中芯国际等8 家单位发起的“中国硅知识产权产业联盟”( 简称中国i p 联盟) 在北京正式成立。首批加入联盟的企事业单位有5 1 家。“十五 计划期间，中国政府己完 成了上海、北京、西安、无锡、成都、杭州、深圳等7 个国家集成电路设计产业化基地建 设，给众多中小集成电路设计企业搭建s o c 技术平台，购进了大量e d a 设计工具，并 低价租给各地的集成电路设计公司使用，这在一定程度上缓解了中小企业资金投入有限的 问题。 目前国内购买的i p 核产品，1 8 来自境外代工厂，2 9 来自境内代工厂，3 5 来自境 西安理工大学硕士学位论文 外i p 核供应商，1 1 来自境内口核供应商，只有7 是共享交换口核。由此可见，本土 口核的发展还远远不能满足中国需求。中国的口核产业起步较晚，规模很小，i p 核产业 存在设计种类少，经过验证的口核寥寥无几等问题，对s o c 设计和产业化形成了瓶颈。 截至到目前为止，国内纯粹依靠i p 核经营的公司屈指可数。南山之桥、苏州国芯、神州 龙芯和登巅微电子等国内企业成为第一批以i p 核为主要方向的公司正处于起步发展阶 段。上海富瀚h 2 6 4 的高清晰解码器i p 核已经被全球著名芯片设计公司购买了授权，开 创了国内创业公司对国外大公司进行口核授权的先例。 b i p 核是中国集成电路产业的重要机遇 从目前国际集成电路发展趋势来看，i p 核已经成为集成电路设计企业的一种重要知 识产权，其复用技术前景广阔，受到集成电路设计企业的重视。集成电路设计企业可以通 过i p 核交易加快产品研发进程、提升产品质量。相对与美国、日本和韩国等发达国家， 中国集成电路产业起步较晚，基础薄弱，知识产权保有量低。在集成电路设计业、制造业 都很难与对手抗衡，尤其是在集成电路装备制造业方面，与国际先进水平相去甚远，单纯 依靠原始创新实现产业跨越式发展非常困难。但是，中国拥有众多的代工厂，为推广国家 i p 核标准和复用提供了资源保证，中国集成电路设计企业跨越依托国际先进的i p 核技术， 实现引进吸收再创新和集成创新，实现大规模、复杂化的集成电路设计。利用商业化i p 核来实现大规模的复杂系统成为中国芯片设计业实现跨越式发展的一种机遇t 5 1以集成 电路设计为突破口，可以实现集成电路产业的技术跨越和产业升级。 1 4 主要内容及意义 1 4 1 主要内容 本课题的主要工作就是通过对p i c l 6 c 5 x 系列单片机体系结构、指令集、执行时序的 分析与研究，设计一个与p i c l 6 c 5 x 指令集相兼容的五级流水线结构的m c u 软核。速度 和兼容性是考虑的两个主要因素，具体工作如下： ( 1 ) 体系结构分析 通过对p i c l 6 c 5 x 系列m u c 的硬件结构及指令执行过程的分析，深入理解m c u 的 内部资源配制，两级流水线的工作原理。 ( 2 ) 五级流水线结构设计 掌握五级流水线的层次划分，了解五级流水线的工作原理，与p i c l 6 c 5 x 系列m c u 的内部资源进行对比，确定m c u 软核五级流水线的数据通路。同时解决由流水线带来的 结构相关和数据相关问题。 8 引言 ( 3 ) 兼容性考虑 指令兼容性是考虑的第一要素，对p i c l 6 c s x 指令集的分析，采用硬布线译码结构设 计出五级流水线m c u 的译码电路、p c 控制电路。 ( 4 ) 内部模块的设计 使用可综合风格v e r i l o g h d l 语法对内部各子模块分别进行描述，并完成m c u 顶层 模块的组装。 ( 5 ) 验证与综合 利用m o d e l s i m 6 3 软件对单独模块进行仿真，仿真通过后再对组装后的i p 核进行指 令集测试。利用s y n p l i f y 8 6 完成m c u 软核的综合工作。 ( 6 ) f p g a 配置 利用该m c u 软核设计一个流水灯程序，通过q u a t u r s 6 1 将整个电路配置到a l t e r a 公 司c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 q 2 0 8 cf p g a 中，完成一个m c u 软核的f p g a 应用。 1 4 2 意义 ( 1 ) 为i p 设计提供经验 本项目按照t o p d o w n 设计方法，从语言描述、仿真验证、综合配置到f p g a 应用， 积累了口设计的许多实践经验。这些经验为以后设计其它i p 核奠定了实践基础。 ( 2 ) 掌握了c p u 设计的关键技术( 流水线技术) 兼容性和速度是本课题所要考虑的主要因素。本课题分析了p i c l 6 c 5 xm c u 内部结 构及其工作流程，了解五级流水线的工作原理，根据五级流水线的工作特点和p i c l 6 c 5 x 内部资源，设计出适合于p i c l 6 c 5 x 系列m c u 的五级流水线数据通路，同时解决了由五 级流水线所导致的数据相关和控制相关问题。 ( 3 ) m c u 软核的应用意义 m c u 的应用领域相当广泛，从家用电器、工业控制、到汽车、仪器仪表等等，到处 都可以见到m c u 的身影。掌握了这项技术，就可以生产制造出具有完全自主知识产权的 产品，对我国m c u 产业的发展有一定的推动作用。 ( 4 ) 为基于i p 的s o c 系统设计奠定了基础 嵌入式系统设计正步入基于i p 的s o c 时代，微控制器是嵌入式系统的核心，所以 m c u 软核是构筑s o c 嵌入式系统的核心，该项目的成功为基于口的s o c 系统设计打下 了坚实的基础。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 4 3 论文结构 本论文共分为六章： 第一章引言，介绍了m c u 的现况、s o c 技术、口核产业的发展以及本课题主要内 容和意义。 第二章主要介绍了p i c l 6 c 5 x 内部结构及其工作原理，介绍了其指令系统和寻址方式。 第三章在介绍两级流水线的基础上介绍了p i c l 6 c 5 x 五级流水线的层次划分，对由流 水线所导致的数据和控制相关问题提出了解决方法。由数据通路划分出m c u 软核的各个 模块，并完成各模块的设计。最后对两级流水线和五级流水线设计的软核在速度和资源占 用率方面做了对比。 第四章主要工作是对m c u 软核的仿真验证，其中包括单独模块的仿真验证和模块集 成后的指令集测试。 第五章实现了m c u 软核的f p g a 配置下载。利用本课题设计的m c u 软核，实现了 一个流水灯程序，完成一个m c u 软核的f p g a 应用。 第六章主要对设计所取得的成果进行总结。 1 0 p t c l6 c 5 x 结构原理 2p i c l 6 c 5 x 结构原理 2 1 内部结构 p i c l 6 c 5 x 在一个芯片上集成了一个8 位算术逻辑单元越刖和工作寄存器( w ) ；3 8 4 - - 2 k 的1 2 位程序存储器( r o m ) ；3 2 - - 8 0 个8 位数据寄存器( r a m ) ；1 2 , 2 0 个i o 口 端；8 位计数器及预分频器；时钟、复位、以及看门狗计数器等。p i c l 6 c 5 xm c u 把数据 存储器r a m 当作寄存器来寻址使用以方便编程，寄存器组按功能分成二部分，即特殊寄 存器组和通用寄存器组。特殊寄存器组包括实时时钟计数器r t c c ，程序计数器p c ，状 态寄存器s t a t u s ，f o 口寄存器以及存储体选择寄存器f s r 7 1 舳。 p i c l 6 c 5 x 总体结构如图2 1 。p i c 总线结构采取数据线( 8 位) 和指令线( 1 2 位) 相分离的哈佛( h a r v a r d ) 结构。这样可使单片机的指令速度得到提高。当一条指令在削l u 中执行时，下一条指令已经被取出放到指令寄存器等待执行了。算术逻辑单元m 刖和工 作寄存器( w ) 承担算术逻辑操作任务。p i c l 6 c 5 x 提供二级堆栈( s t a c k ) ，所以子程序 调用只有二层。使用时一定要注意这点，否则程序运行将失去控制。 图2 1p i c l 6 c 5 x 总体结构图 f i g u r e2 - 1p i c l 6 c 5 xs e r i e sb l o c kd i a g r a m 2 1 1 程序存储器及堆栈 程序存储器如图2 2 。程序存储器采用分页结构，每页长0 5 k 。因此对于p i c l 6 c 5 2 程序存储器在1 页之内，而对于p i c l 6 c 5 4 和p i c l 5 c 5 5 程序存储器容量为1 页，p i c l 6 c 5 6 西安理工大学硕士学位论文 和p i c l 6 c 5 7 的容量则分别为2 页和4 页。页面地址由状态寄存器f 3 的第5 位和第6 位 ( p a 0 、p a l ) 确定。程序转移时，在本页内可直接进行；在需跨页跳转时( g o t o 、c a l l 指令) ，则必须根据将要跳转去的页面，把f 3 中的p a 0 、p a l 位置成相应的值。 厂 o o t o c l l ，州p c 作嘞寺鬻自f 3 六位b 订耳l a l ( 7 1 6 c 5 7 ， 0 0 1 o ，c d l 等列p c 攮作的描奇幕af 3 钔第五血i p , k t 5 t w i t l t l c 蝴， o o 呵oi 挣 带目抟附 c ! 工蝈嚆铂四lf 、：翻h 哟母屠，- 0 a o t o c 业工h 妻秉自描奇 , x i c l l 嗣p c 艟作的措争睾自 l u r e t i w 一a l i l o o g- t 弭， 0 口 9 i l 泣 j i t l 8 r x h ： 。一 0 页( p a o 曲o f f量冀狴； i 1 7 f t f f c t2 0 0 l 页( p o e l ) 2 f i ： 瑚 f f l o4 一2 页( p o e 锥f 斯 5 f f 1 16 0 0 。一 3 剪( 队o e 动6 f f d r 2 7 p f 图2 - 2 程序存储器 f i g u r e2 - 2p r o g r a mm e m o r ym a p p i c l 6 c 5 x 设有二层堆栈，堆栈1 和堆栈2 ，供子程序调用。涉及堆栈操作的指令有 二条。 a c a l l 指令 在主程序中第一次执行c a l l 指令时，将p c 值加1 后推入堆栈1 ，堆栈l 原有的内 容则被推入堆栈2 中。这时子程序中还可再做一次子程序嵌套，即再执行一次c a l l 指 令。如果子程序调用多于二层时，堆栈中只存放最近的二个返回地址。 当执行一条c a l l 指令时，状态寄存器f 3 中的将页面寻址位p a l 、p a 0 将被置入到 p c 的最高二位( 第1 1 位和第1 0 位) ，而p c 的第9 位总是被置为0 这意味着在p i c l 6 c 5 x 中，子程序起始地址只能放在每个程序存储页面的上半页，即低地址的那一半( 0 0 0 - - 0 f f 、 2 0 0 - - 2 f f 、4 0 0 - - 4 f f 、6 0 0 - - 6 f f ) 。注意，这里指的是子程序的起始地址