（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式系统级芯片建库研究及ip核设计.pdf

2 0 0 4 缸 中国科掌技术大学硕上毕业论文 摘要 集成电路工艺目前已进入超深亚微米阶段，超大规模集成电路的设计技术滞 后于集成电路工艺发展水平、e d a 工具滞后于设计能力，传统的设计方法效率低 下。在这种情况下，s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 设计方法学正成为集成电路设计的主 流。s o c 设计方法学主要基于i p 复用( i n t e ll e c t u a lp r o p e r t yr e u s e ) 及硬软件 协同设计和验证( h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ) ，其研究和 应用水平不断提高，本论文有关研究工作是基于s o c 设计方法学的有益尝试。 本论文的第一章和第二章分别介绍了基于i p 的s o c 设计方法学以及嵌入式 建库的方法；第三章介绍了嵌入式8 0 5 1 的构成并剖析其原理，内容上包括存储 器的结构、输入输出管脚的定义，给出了8 0 5 1 的指令系统和寻址方式，重点分 析了8 0 5 1 的体系结构及其嵌入式方面的特性；在第四章中，基于t o p d o w n 的设 计方法，使用v h d l v e r i l o g 语言实现8 0 5 1 的软i p 核，着重分析了8 0 5 1 的控制 器、算术逻辑单元、定时器计数器等单元的具体运行机制，并力求给出在嵌入 式体系下，指令在8 0 5 1 内部运行时，数据在各寄存器中的流向；在第五章中， 以一个设计实例，将i p 核和f p g a 技术高效地结合。提出了一个r i s c 结构的i p 核验证与测试方法，编写具体8 0 5 1i p 核的验证与测试方案。 本论文设计已通过我们自行设计的开发评估板的下载验证，该开发板选用了 x i l i n x 公司x c s 2 0 0 芯片，该芯片逻辑门数达到2 0 万个，本论文也给出了有关 p c b 板图和电路设计原理图，该开发板在嵌入式系统级算法开发应用中，具有较 高的参考价值。与本论文内容相关的并进一步拓展的嵌入式系统级微处理器算法 及其嵌入式开发平台的设计也正在进行中，其器件规模为1 0 0 万门以上，时钟频 率为5 0 m s z 。 曼些生已一! 里型兰垫查盔兰堕主芝些堡壅 a b s t r a c t i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u eh a se n t e r e di n t ov e r yd e e ps u b _ m i c r o n ( v d s m ) e r a t h ed e s i g nt e c h n i q u eo fv l s ic a n tc a t c hu pw i t ht h ed e v e l o p m e n t o f p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dt h ec a dt o o l sg e tb e h i n dt h ed e s i g nc a p a b i l i t y a sw e l l t h ee f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sc a n ts a t i s f i e d i c d e s i g n e r i nt h i si n s t a n c e ，t h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo fs y s t e mo n c h i p ( s o c ) w h i c hi sb a s e do ni n t e l l e c t u a l p r o p e r t y r e u s ea n d h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dv e r i f i c a t i o ni sa c c e p t e da sm a i n s t r e a m o fi cd e s i g n t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h es o cd e s i g nm e t h o d o l o g y i m p r o v e dr a p i d l y t h er e l a t i o nj o b i nt h i st h e s i si sb a s e do nu s e f u l e x p e r i m e n to fs o cd e s i g nm e t h o d o l o g y 。 i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p t so fi p ，s o ca n de m b e d d e d1 i b r a r yb u i i d i n g w a si n t r o d u c e di nc h a p t e ro n ea n dc h a p t e rt w o i nc h a p t e rt h r e e ，t h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fe m b e d d e d8 0 5 iw a si n t r o d u c e d t h ec o n t e n t c o n s i s t so ft h es t r u c t u r eo ft h em e m o r ya n dt h ed e f i n i t i o no ft h ei n p u t s a n do u t p u t s t h ei n s t r u c t i o ns e ta n da d d r e s s i n gm e t h o dw a sd i s c u s s e dw h i l e t h es y s t e ms t r u c t u r ea n de m b e d d e dc h a r a c t e r i s t i co ft h e8 0 5 1w a sa n a l y z e d e m p h a t i c a l l y i nc h a p t e rf o u r ，t h e 8 0 5 1i pc o r ew a sr e a l i z e di n v h d l v e r il o gb a s e do nt o p d o w nd e s i g nm e t h o d t h ew o r km e c h a n i s mo ft h e c o n t r o lu n i t ( c u ) ，a r i t h m e t i cl o g i c a lu n i t ( a l u ) a n dt i m e r c o u n t e ro f8 0 5 1 w a sa n a l y z e d t h ed a t af l o wa m o n gr e g i s t e r sw h e nt h ee m b e d d e d8 0 5 1r u n i n s t r u c t i o n sw a sg i y e na sp o s s i b l e i nc h a p t e rf i v e ，t a k i n gas y s t e m d e s i g n a s e x a m p l e t os h o wh o wt oc o m b i n ei pc o r ea n df p g a t e c h n i c s e f f i c i e n t l y ，am e t h o do ft h em o d u l e s v e r i f i c a t i o na n dt e s t i n go fi p c o r ei nr i s cs t r u c t u r ew a sp r o p o s e da n dt h em a t e r i a lp r o j e c to ft e s t i n g a n dv e r if i c a t i o nt h e8 0 5 1i pc o r ew a sp u tf o r w a r d 2 0 0 4 篮 中国科学技术大学硕士毕业论文 t h e d e s i g n o ft h i st h e s i sh a sb e e n p a s s e d t h e d e b u g g i n g a n d v e r i f i c a t i o l tb yd e v e l o p m e n tb o a r dw h i c hi sd e s i g n e db yo u r s e l v e s t h e d e v e l o p m e n tb o a r di s x c s 2 0 0c h i pp r o d u c e db yx i l i n xc o m p a n yw h i c hh a s 2 0 0 ，0 0 0l o g i cg a t e s t h er e l a t i o np c bl a y o u ta n ds c h e m a t i cw e r eg i v e n i ta l s oh a sr e f e r e n c ev a l u ei na p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma r i t h m e t i c t h ef a r t h e rd e s i g nj o bo fe m b e d d e dm c ua r i t h m e t i ca n dp l a t f o r mw h i c h i sr e l a t e dt ot h i st h e s i sh a sb e e nc o n t i n u e d t h es c a l eo ft h ed e v i c ei s o v e rl ，0 0 0 ，0 0 0g a t e sa n dt h ec l o c kf r e q u e n c y is5 0m e g a h e r t z 型坐竺曼一一一 生里型兰垫查查兰婴主兰些堡奎 第一章绪论 本章将简介嵌入式系统级芯片的建库方法以及i p 核设计技术，阐述了与本 学位论文有关课题的意义。 1 1 集成电路设计方法概述 1 9 5 8 年，第一块硅基集成电路诞生时只有四个晶体管。经过4 0 多年的发展， 目前最先进的工艺己能在一块芯片上集成超过一亿个晶体管，芯片的特征线宽只 有9 0 纳米。四十年前，i n t e l 公司的创始人之一g o r d o nm o o r e 预言：集成电路 每隔三年集成度将增加四倍，特征线宽缩小互倍，这就是学术界和产业界所称 的摩尔定律。回顾2 0 世纪后半叶集成电路发展的历史，不难发现摩尔定律一直 准确的预言着集成电路工艺技术的发展。 集成电路最重要的生产过程包括：) t 发e d a ( 电子设计自动化) 工具，利用e d a 进行集成电路设计，根据设计结果在硅圆片上加工芯片( 主要流程为薄膜制造、曝 光和刻蚀) ，对加工完毕的芯片进行测试，为芯片进行封装，最后经应用开发将其 装备到整机系统上与最终消费者见面。 早期的电路设计实际上就是电路版图的掩模设计，由于电路简单，设计人员 不需要有复杂的电路知识。但是由于集成电路工艺技术的迅速发展，集成电路的 规模不断增加，电路设计越来越复杂。目前，超大规模集成电路的规模都在百万 门量级以上。极高的设计和验证难度已逐渐不是一般的半导体加工厂所能完成。 这种情况迫使微电子产业分工细化，i c 设计行业和芯片封装、测试行业从芯片 生产行业先后剥离出来，即派生出三个独立的部门：微电子设计，微电子工艺以 及微电子检测。在微电子设计方面，以 9 9 7 年s y n o p s y s 公司提出i p 设计方法 学最为重要，其核心是i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 复用技术和硬软件协同设计 验证技术，这也是系统级芯片设计主要使用的方法。 1 2 ip 复用技术 集成电路的集成度依照摩尔定律以每年5 9 的速度增加，而集成电路的设计 2 0 0 4 岂 中国科学技术大学硕士毕业论文 效率以2 1 的速度增长。工艺能力和设计能力增长速度上的差别，使得原有的设 计方式越来越无法跟上工艺技术的进步。如果设计公司对于每一个设计都从最基 本的门电路开始，就会很难及时设计出需要上市的新产品，解决的方法之一就是 把一些已有的、功能已经得到验证的模块直接在新设计的系统中重复使用，这些 模块我们一般称之为i p 。 事实上，当设计公司从制造芯片的代工厂( f o u n d r y ) 分离出来后，各代工厂 为了扩大业务，以精心设计并通过工艺验证的标准单元库来吸引更多的设计公司 成为其客户，并向设计师们免费提供各种相关数据资料。而另一方面，设计师们 也愿意使用这些成熟优化的电路单元，既提高了设计效率，同时又降低了设计风 险。这些由厂家提供的标准单元库就是i p 的雏形。随着工艺的快速提高，设计 能力越来越相对滞后，设计师们意识到，不论这种标准的单元库是由谁提供，只 要能提高设计效率，降低设计风险，就可以拿来使用。在这种背景下，专门提供 各种标准电路单元并收取“版权”费用的设计公司应运而生。 典型的i p 核如：微处理器核( m p uc o r e ) 、数字信号处理器核( d s pc o r e ) 、 存储器核( m e m o r yc o r e ) 、m p e g 核以及一些标准接口i p 核，如e t h e r n e t 核、u s b 核、p c i 核、i e e e l 3 9 4 核等。 。 在商业竞争的压力下，设计公司为了提高芯片的设计效率，降低设计成本， 尤其是为了在最短的时间内开发出新产品，迅速占领市场。必须尽可能多的使用 现有的i p ，必要时直接从i p 设计公司购买所需要的i p 。然后再将这些i p 整合 到设计当中去，这就是i p 复用技术( i pr e u s e ) 。 由此可以看到，基于i p 复用的开发给设计师们带来了诸多的方便，比如说节 省时间、缩短开发周期、避免重复劳动、提高系统速率等。当然，i p 核的发展还 存在一些问题，比如i p 版权的保护，i p 的保密及i p 间的集成等。通过表1 可以 看出i p 复用技术正逐渐成为芯片设计的主流趋势。 表l 世界a s i c 市场中i p 含量百分比及预测 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 22 0 0 3 不采用i p 的a s i c ( ) 9 l8 58 06 95 34 13 3 2 41 6 含采用i p 的a s i c ( ) 91 52 03 l4 75 96 7 7 68 4 i p 可以划分为三类：软i p 、硬i p 、固i p ，通常也被称作软核、硬核、固核。 核( c o r e ) 是指能完成一定功能的，5 0 0 0 门以上的集成电路模块，有时也称为虚 拟部件( v i r t u a lc o m p o n e n t ) 。软核为能综合的h d l 描述，硬核为芯片版图，固 核为门级h d l 描述。 软核包括逻辑描述( r t l 和门级v e r i l o gh d l 或v h d l 代码) 、网表文件( n e t l i s t 2 0 0 4 矩 中国科学技术大学硕士毕业论文 f i l e ) 以及不能用信号仪、示波器、电流计和电压表等物理方式进行测试的可测 性设计文档( t e s tb e n c hf i l e ) 。软核可经用户修改，并综合到选定的工艺上， 以实现所需要的电路系统。它主要用于接口、编码、译码、算法和信道加密等对 速度性能要求范围较宽的复杂系统。 硬核的电路布局和工艺是固定的，不能更改。硬核已完成了全部的前端和后 端设计，制造工艺也已确定。它的特点是灵活性最小，知识产权的保护比较简单。 i p 模块提供者给用户的是封装好的行为模型，用户只能从外部测试硬核的性能， 却无法得到厂商真正的电路设计。常见的硬核有存储器、模拟器件、总线器件等。 固核是一种介于软核和硬核之间的i p ，通常以r t l 代码和对应具体工艺的网 表混合形式提供。固核既不是独立的，也不是固定的，它可根据用户要求进行修 改，使它适合用于某种可实现的工艺过程。固核允许用户重新定义关键的性能参 数。从完成i p 模块设计所花费的代价来看，硬核代价最高：从i p 模块的使用灵 活性来讲，软核的可重复使用性最高：从期望i p 模块的价值最高的角度出发，人 们期望i p 完成物理设计，但这会使i p 模块的可重复性降低。固核可根据系统设 计需求修改，但知识产权不易保护，虽然用户乐于接受，但缺少固核的提供者。 1 3s o c 技术 随着集成电路的深亚微米制造技术、设计技术的迅速发展集成电路己进入系 统级芯片，也就是系统级集成电路，其英文简写为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。系统 级集成电路( s o c ) 是指在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和i o 等功能。或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集和转换电 路、存储器、m p u 、m c u 、d s p 、m p e g 等，实现一个系统的功能。s o c 是在a s i c 的 基础上发展起来的电路，它与a s i c 完全不同，具有很多独特的优点。 ( 1 ) s o c 增加了功能：从单一功能增加到多功能，实现一个系统的功能，实现 高速、高集成度和低功耗。 ( 2 ) s o c 大大降低整机的成本：由过去多块i c 构成系统，现在变成一块s o c 。 ( 3 ) s o c 大大降低整机的体积：这是系统制造商进一步发展的方向，尤其对便 携式的电脑、通讯及多媒体产品的生产厂家更具有吸引力。 ( 4 ) s o c 促进了整机系统更新换代的速度：它缩短了供需双方的差距，整机更 受用户的欢迎，易于占领市场。 由于s o c 的这些优点，正好满足了通讯、电脑、消费产品向轻、薄、短和耗 电少的方向发展。因此市场对s o c 产品有强烈的需求。 随着s o c 将成为市场的热点，迫使可编程器件c p l d 和f p g a 转向s o c 。x i l i n x 公司将其f p g a 产品转向为s o c ，该公司首推出百万门v i r t e r 系列f p g a ，为解决 2 0 0 4 拒 中国科学技术大学颇士毕业论文 系统级设计问题提供了新的f p g a 平台。q u i c kl o g i c 公司宣布将利用该公司标 准产品f p g a 和硬核模块向客户提供可编程s o c 产品。a l t e r a 公司的新型可编程 逻辑器件a p e x2 0 k 系列已于1 9 9 9 年第一季度面世，它是第一个成功的将乘积项、 查找表功能及嵌入式集成的体系结构。a p e x2 0 k 也是第一个器件密度达到百万 门，系统性能可支持6 4 位6 8 z p c i 标准的产品系列，将整个复杂的系统集成 在一片可编程芯片内，实现s o c ：其第一个产品e p 2 0 k4 0 0 已供应市场。 集成电路制造工艺的发展，使得以软硬件协同设计( s o f t w a r e h a r d w a r e c o d e s i g n ) 、具有知识产权的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 复用技术及超深亚 微米( v e r yd e e ps u b i c r o n ，简称v d s m ) 技术为基础的s o c ( s y s t e m o nc h i p ， 即片上系统) 成为被产业界和学术界广泛关注的焦点。s o c 通常是指规模上包含 定数目的i c 。功能上包括处理器、i 0 接口、存储器和一些重要的数字模拟技 术以及嵌入式操作系统的芯片。s o c 设计技术的运用和推广可以极大的降低工艺 成本、设计费用、缩短产品的面世时间并提高产品的技术性能。 1 4 课题意义 集成电路制造工艺目前已进入超深亚微米( v d s m ) 阶段，第二代集成电路c a d 工具已难以胜任。片上系统s o c 正成为集成电路产品的主流。s o c 的重要手段是 i p 复用，其研究和应用水平不断提高，目前在国际上，超大规模集成电路的设 计技术滞后于集成电路工艺水平、设计工具滞后于设计能力，而且集成电路加工 厂、芯片设计公司、后端封装相对独立和游离。国际上集成电路的这些现状为中 国的集成电路从业人员提供了新的机遇：预设计、预验证部件的单元库、技术引 进整合能力、片上系统和可复用模块设计、定制的个性化的产品。 在国际上，美国硅谷有数以百计的e d a 设计公司从事第三方i p 核研究。他 们以很强的创新能力整合传统的e d a 、a s i c 、和f o u n d r y ( 半导体加工厂) 服务， 经过研究提供设计规范，可综合的i p 核，设计文档。但这些e d a 公司对中国长 期封锁库，特别是版图库从来不提供。国内目前能得到的服务只能通过购买用黑 盒方式的i p 核。你可以将它加入到自己的设计中，进行仿真验证，但你只有该 模块输入输出引线和虚拟的功能，只有到了半导体厂，别人才用真正的库版图单 元替换。 国内现在有不少集成电路研究单位在从事s o c 系统理论方面的研究。但由于 研究成果超前与国内工艺水平，而集成电路的更新换代速度又太快a 有些东西还 没设计完毕就已经没有应用市场，很难形成真正意义上的生产。而国家在一些特 殊的应用领域，考虑剑安全的因素。又不得不跟踪摸索研究。超大规模数字集成 4 2 0 0 4 缶中国科学技术大学硕士毕业论文 电路工艺线建立，芯片设计等需要上百亿元资金的投入，需要集中大量人才一起 工作维护。但在嵌入式这个经预测将形成上万亿美元的大市场中，本项目涉及的 领域具有技术含量高，资金投入少的特点。在本选题中，i p 库和复用技术是关 键，技术成果和自主知识产权是其生存的基础。 本论文选题包括了嵌入式8 0 5 1 软i p 核分析与设计，包括基本模块组件的建 库方法和流程，系统开发板的芯片选型和设计，嵌入式8 0 5 1 软i p 核板上下载调 试等内容。研究这些内容对系统级芯片的设计方法和验证流程等有很好借鉴作 用。 2 0 0 4 生 中国科学技术大学硕士毕业论文 第二章建库设计 系统级芯片的库开发分为几个阶段，其中电路设计，仿真验证，版图生成与验证等阶段 可以使用e d a 工具来生成库单元基本文件，本章主要通过反相器为例来简介建库的主要流 程。 2 1 建库及库信息 a s i c 电路开发，较之通用数字集成电路最大优势就在于电子系统的逻辑单 元大量调用了库电路单元。这个趋势随着数字系统越复杂而越明显，如在系统级 芯片中，c p u 也是作为个子系统嵌入到系统中来的。 当我们使用类似c a d e n c e 公司e d a 工具调用a s i c 厂家提供的库单元盹，会 发现厂家提供的库都是虚拟库，它只含有供用户进行仿真和作布局、布线等的所 有信息。当用户将最后设计好的电子系统网表提供给围绕工艺厂家的i p 服务商 整合之后，工艺厂家才虚拟库中实际的内容在制作芯片之前先填补进去。 开发库单元是一项非常复杂的工作，库的购置有时需要花大价钱的，因为一个空 态的库单元需要包括以下几个方面： 物理版图。 行为模型。 v h d l v e r i l o g 语言模型。 详细的时间模型。 测试手段。 电路草图。 单元的标识。 连线仿真模型。 2 2c m o $ 反相器建库设计 2 2 1r t l 级设计及门级电路图 本小节以基本的c m o s 反相器电路为例，介绍建库设计的基本流程。 首先我们根据反相器的功能，得到其r t l 级的v h d l 描述如下： 2 0 0 4 定 中国科学技术大学硕士毕业论文 a r c h i t e c t u r eb ho fr e vi s b e g i r t e n db h ： 事实上，由于反相器本身就是一个门级器件。因此，r t l 级的描述无法提供 任何反相器的具体结构信息。通过综合，我们可以得到反相器的电路图如图2 1 所示。 图2 1 反相器电路图 从图2 i 可以看出反相器由一个p m o s 和一个n m o s 构成。 2 2 2 反相器的版图 反相器的电路图包含的信息实际上相当于电路的网表文件( n e t l i s t ) a 采用 后端的综合工具，可以自动生成版图。反相器的版图及工艺示意图分别如图2 2 、 图2 3 所示，多晶硅( p o l y s i l i c o n ) 跨过有源区( a c t i v e ) 即形成m o s 管，当有 源区为n 扩散区( n d i f f ) 形成n m o s ，p 扩散区( 1 d i f f ) 则形成p m o s a 2 0 0 4 短 中国科学技术大学硕士毕业论文 图2 2 反相器版图 图2 3c m o s 双阱工艺的反相器示意图 8 旦些尘已一主里型兰堇查查堂堡主兰些堡苎 对于复杂的电路，首先要根据网表文件进行布局( p l a n ) ，即确定各模块在 芯片中的位置，还包括编写端口文件定义输入输出端口的位置。然后进行预布线 ( p r e r o u t e ) 和布线( r o u t e ) 。 2 2 3 延时分析 门电路的驱动能力和延时有密切的联系， 在建立c m o s 反相器的延时模型前，我们先对图2 4 所示的反相器开关特性 加以分析。 i_ i 一 、1 0 1 0 ， ? ( a ) 上升，下降时问 5 0 5 0 l5 0 5 0 0 t 卜， i k p + ( b ) 珏远时l 可 图2 4 开关特性基本参数描述 ( 1 ) 上升时间t ，：波形从它的稳态值的1 0 上升到9 0 9 6 所需的时间。 ( 2 ) 下降时间t ，：波形从它的稳态值的9 0 9 6 下降到1 0 所需的时间。 ( 3 ) 延迟时间t d ：输入电压变化到稳态值的5 0 的时刻和输出电压变化到稳 态值5 0 v 。a 时的时间差。 延迟时间还可以分为上升延迟时间和下降延迟时间。输出电平上升边5 0 处 对输入电平下降边5 0 处的时间间隔称上升延迟时间t 。输出电平下降边5 0 处对输入电平上升边5 0 9 6 处的时间间隔称下降延迟时间t 。，。而门的平均延迟时 间t 。定义为上升延迟时间与下降延迟时间和的一半。 1 下降时间 9 o v 静 图2 5 在开关期间n m o s 管工作点的移动轨迹 在图2 5 给出了输入电压v i n ( t ) 从o v 变化到v 。时，n 型m o s 管的工作点的 移动轨迹。最初，n m o s 管是截止的，负载电容c l 充电到v 。这对应于特性曲线 上的x l 点。当反相器输入端加上阶跃电压( 即v g s = v 。) 时，工作点变化到x 2 。 此后，轨迹沿v g s = v 。的特性曲线向原点( x 3 ) 运动。显然，下降时间t f 由下面 两个时间间隔所组成： ( i ) t f l 是电容电压v o 从0 9 下降到( 一v t n ) 所需的时间。 ( 2 ) t f 2 是电容电压v 。从( v 。- v t n ) 下降到0 1 k 所需的时间。 说明上述行为特性的等效电路如图2 6 所示。根据图2 6 ( a ) ，在饱和区有： c 。! r v ，o + 辱( 一圪) ：o v o 一 ( 2 - 1 式) 从t f l 积分可得 9 1 = 2 丽v - - 。，2 一蹉略焉桀净 当n m o s 管开始工作在线性区时，放电电流已不在是恒定的了。对i f 2 积分 肛赢嚣盎 2 ( 一圪) 。 1 0 f k 2 0 0 4 盔中国科学技术大学硕士毕业论文 = 赢姒，尾( 一) 、， ( 2 - 3 式) 因此，整个下降时间为： 志憔訾+ 扣孑， p 型器件 n 型 t = d ( 2 - 4 式) ( a ) p 型器件 饱和区；v o v d 一一 饱和区 o 二一 p o4 ；二j p 0 _ ，= ) ? j 。 p l - j ；- 。， p 乞2 7 ；二- p j j 。；t o a 丑：矗o2 ) 正厝do d 矗。尊丑= c in d ：姗0 2 ) 丑r 咖0 t n ，缸，。 j 口m 啦 b ho o ；md 女n m 血j s ：m 业。 0o ；* m 每jo j m 且 缸置f ：之避出色4 出避o 。! 皿出趋嘣 妞j 。| 婵0 h 则。；j 嘲 c 锄5 1 ：mm 溅l m 硼n 口h ：譬o d 燃睦 o r e t 廿io lm 疵 锄曲直：j l f 越由诅4 日：i m 日i i n m 纽：osr m 妇呲k 删l 卫j b 蹦l m p m 唧她，矗 o m 迥i 二：。! 啦踮 口t 螅j 。r 艘由酵 i 口蒯i ：m ：删f m 哪蝉蛐。c 皿 ，r e s t , m n ：o l f m md a m lo 碴 日：osn 唧l d 哩j 曹：撇妇l 雠 一d 卿h 斑( 1 )i “。 瞳孙mi 8 0 5 1 顶层结构的v h d l 代码 2 0 0 4 龟 中国科学技术大学硕士毕业论文 输出的言号包括串行通信输出信号r x d w r o 、t x d 一“r x d o ( 当串行通信工 作在言式0 封，害行口作为同步移位寄存器使用，此时r x d 作为数据移位的入口 和出 ) 以夏p o p 3 。 在4 个缕块中，c o r e 控制r a m 、r o m 和r s f f l x 的读写。以c o r e 和r a m 为例， 当对f a m 进，亍读操作的时候，首先要有一个表示选中r a m 的使能信号r a me n 为 高电平，然舌还要有一 个读写片选言号r a m _ w r ，同时还要选定读操作的8 位地址单元r a m _ a d r ，就能从 r a m 中读取一个8 b i t 的数r a md a t a 。由于r a m 也可以写入，所以r a m _ d a t e 是一 个双同端口：因此，c o r e 和r a m 之间的内部信号共有4 个。同样可以分析出， c o r e 和r o m 、r 刮l l x 之间的内部信号分别是2 个和4 个。 8 0 8 1 一c o r e 模块又可以分解为控制器单元( c o n t r o l u n i t ) 、算术逻辑单元 ( a l u ) 、s i u 以及t m r c t r 。 4 2 控制器单元 在8 0 5 1 中控制器( c o n t r o lu n i t ) 是最核心的单元，其主要完成的任务有： ( 1 1 计算程序计数器p c 的值，并根据p c 的值从r o m 中源源不断的取出指 令并加以执行。 ( 7 ) 完成对各类存储器的读、写操作，这些存储器包括特殊功能寄存器s f r ， 用户r a m ，可位寻址区，4 组通用寄存器区，r o m ，扩展r a m 。 ( 3 ) 当需要进行算术逻辑运算时，产生相应的指令冯送给算术逻辑单元。 ( 4 ) 对中断请求做出反应，并进行处理。 4 2 1 控制器的输入和输出 根据图 一l ，控制器的输入和输出分为以下几类： i l ) 与3 0 5 1 外部的输入和输出，包括p o p 3 四个双向i 0 端口，外部中断输 入i 耵0 和i n t i ，时钟信号c l k ，复位信号r e s e t 。 ( 2 ) 与算术逻辑单元的输入和输出，包括： a l uc m d o ，控制器将从r 咖中读取的算术逻辑类指令编码后，产生一个 指令码a l u c m d o ，负责告诉a l u 进行什么样的操作， 国c vo 、o vo 、n e wc yi 、n e wo vi ，c y 和0 v 是算术运算中的进位标志 和溢出标悉，由于二、十进制调整的时候还要用到半进位标志位a c ，所以将a c 和c y 一起组成一个2 b i t 的输入和输出c y o 、n e w o v j 。 a c co ，累加器a c c 输出。 三兰生兰二一主望型兰茎查查兰望主兰些丝奎 a l u r s l t a _ i 、a l u r s l t b j ，a l u 的运算结果返回到控制器。 ( 3 ) 与r o m 、内部强m 和外部r a m 的输入输出，包括 p c 一0 、r o m _ d a t a _ i 是与r o m 的输入、输出。控制器内部产生p c 值，然 后根据p c 的值从r o m 中读取指令和数据，p c 即从r o h 中读取数据的8 位地址指 昔， r a m e n o 为w 的选通信号，高电平有效。 r s m 一盯一o 、r 锄一a d r o 、r a md a t a _ i 、r a m _ d a t a _ o 分别为对r a m 的读写 片选信号，r a m 地址8 位输出，向r 删写入和从r 埘中读取的8 位数据。 w r x _ o 、a d r x 一9 、d a t a x i 、d a t a x 一0 是控制器与外部r 州的输入输出， 其形式和与内部r a m 的输入输出相类似。 ( 4 ) 定时器计数嚣的输入输出，包括： t h o i 、t h l 一! 、：l o i 、t l l _ i 为定时器1 i o 的高8 位和低8 位的输入。 t f o i 、t f l 一：是定对器计数器的溢出标志位。当定时器计数器t o ( 或 t ! ) 溢出时，t f o _ i ( 或t f i i ) 被置1 。 t m o do ，特殊功能寄存器中有一个定时器方式选择寄存器t m o d ，高四位 负责控制t l 的工作方式，骶四位控制t o 的工作方式。 ， t c o n f r o 一0 、t c o n _ t r l _ o 为定时器运行控制位。 r e l o a d 一0 、w t 一0 、w e l l 一0 负责对定时器计数器置初值，w t e l l o 为1 时表明控制器开始对定时嚣计数器置初值。w t _ o 为2 b i t 片选信号，当w t o = “0 0 ”时，r e l o a d _ o 被量给定时器计数器t o 的低8 位：当w t o = 0 1 ”时，r e l o a do 被置给定时器计数器t 1 的低8 位；当w t o = “1 0 ”时，r e l o a d _ o 被置给定时器 计数器t o 的高8 位：当w t _ 0 = “1 l ”时，r e l o a d _ o 被置给定时器计数器t 1 的 高8 位。 ( j ) 与串行接口重元s i u 的输入输出，包括： s m o d _ o 是电源控制寄存器p c o n 的最高位，负责控制串行口波特率是否 倍增，当 s m o d0 为r 时，弓行口的波特率加倍。 s c o n _ o 、s c o h - i 表示串行口控制寄存器的输入输出。 s b u f _ o 、s b u f i 表示串行数据缓冲寄存器的输入输出。 4 2 2 控制器执行指令原理 1 程序计数器p c 微处理器的基本功能就是执行程序，而要执行的程序是由存放在r o m 中的 型三 主望型兰茎苎查兰堡主兰些兰茎 串指令组成。9 0 5 1 内部有一个专门用于指令寻址的程序计数器p c 。当处理器 被复宜时p c 的初始值为0 0 0 0 h 也就是说控制器从r o m 的0 0 0 0 h 地址单元 处开始读取指令。当没有控制转移类指令的时候，每执行一条指令，p c 值就相 应增加。 当程序计数器遇到各种控制转移类指令以及变址寻址方式指令的时候，会根 据指令的内容，对p c 中的值作相应的调整。 对于某些指令，r o m 中不仅仅存储指令的操作码，而且还存储着指令的操 作数。所以对于这类指令，控制器首先从r o m 中取出指令代码，根据指令代码 的值判断出r o m 中p c + i 地址处存放的是否为操作数，如果是，将p c 值加1 后，控制器在下一个时钟周期取出操作数，并在指令执行完毕后再将p c 值加t ， 并继续执行下一条指令；如果控制器根据指令代码判断出r o m 中p c + i 的地址 处不是数据而是下一条指令，那么控制器就会把当前指令执行完后再将p c 值增 加1 ，以进行下一条指令操作。从上面的分析可以看出，程序计数器p c 除了担 负取指令操作玛的任务，还担负从r o m 中取出相应的操作数的任务。 2 控制器的指令编码 8 0 5 1 的指令集共有4 4 种指令操作助记符，但是从指令编码的角度来说，一 共有i i 2 条指令( 包括空操作指令) 。以m o v 指令为例， m o va ，# d a t a( 将一个立即数送到累加器a ) m o va ，r n( 将通用寄存器的值送到累加器a ) 这两条指令虽然都是最简单的m o v 指令，但是两者的寻址方式却截然不同。 第一条指令在执行时，控制器由p c 的值从r o m 中读取指令码为“0 1 1 1 0 1 0 0 ” 判断出该指令是将r o m 中的个8 位立即数送到累加器a 中。显然，该立即数 应该存放在r o m 中紧接着该指令码的下一个地址单元中。因此，p c 的值首先 要增封口1 ，然后从r o m 中读取立酃数，才能完成数据传送指令。第二条指令在 执行时，控制器由p c 的值从r o m 中读取指令码为“l l l 0 1 x x x ”，“1 1 1 0 1 ”表 示该指令是将通用寄存器的值送到累加器a 中，程序状态字中的r s 0 和r s l 决 定所选定的通用寄存器位于4 个通用寄存器区的哪一区，指令码中的低3 位字节 经过一个三八泽码器，决定寄存器r n 中n 的取值。 由上面的分析可以看出，由于r o m 中的指令码不光要决定进行什么样的操 作，当有操作数的时候，还要决定操作数的寻址方式，所以即便是两条指令有完 全辎同的操作助记符，一旦其寻址方式有区鄹，郡么指令的代码靛会有所不同。 3 地址译码多路器和数据译码多路器 除空操作指令外，任何一条指令都应该说明让机器硬件完成什么样的基本操 作以及对什么数据避行操作，何处存放操作的结果。前面说过r o m 中的指令 码实际上包括了这三方面的信息，因此，当控制器读取指令码之后，会把指令码 2 0 0 4 生 中雪科学技术大学硕士毕业论上 中的信息分解成四部分，一是为了保证程序能够继续执行下去，程序计数器应该 如何取值，二是将操作命令送给a l u 执行，三是将源操作数寻址方式编码送给 地址译码器，四是将操作结果输入到指令码所指定的地址单元，这也要进行编码。 r a m 地址译码器的任务是根据寻址方式，正确的从r a m 中读出源操作数和 写入结果操作数( 需要注意的是，对于有些不需要从r a m 中取操作数的指令， 例如无条件转移指令，指令的执行就不需要经过地址译码器) 。因此地址译码器 应该完成两步操作。第一步是根据寻址方式编码，确定从何处获得源操作数的地 址。第二步是根据源操作数的地址，从r a m ( 包括通用寄存器区、可位寻址区、 用户r a m 区和特殊功能寄存器区) 中获取操作数，该操作数为b v t e 或b i t 。 直接寻址，地址直接来自r o m 指令中的地址码部分。 寄存器直接寻址，源操作数直接存放在通用寄存器中，选定的通用寄存 器所在的区由p s w 中的r s i r s 2 决定，具体存放在r o a r 7 中的哪一个寄存器由 操作码的低三位决定。 寄存器间接寻址，地址存放于通用寄存器中，选定的通用寄存器所在的 区由p s w 中的r s i r s 2 决定，8 0 5 1 的指令系统中仅用r 0 和r l 来进行间接寻址， 具体是r o 还是r 】则由从r o m 中读取的操作玛的最后一位决定。 ， 各类寄存器寻址，包括如下几类：堆栈寻址，源操作数地址存放在堆栈 指示器中，例如出栈指令：b 寄存器寻址，8 0 5 l 在做除法运算时，除数存放于b 寄存器中；数据指针寄存器寻址，例如i n c d p t r 就是将d p t r 中的内容取出， 加l 后送回原单元：p s w 进位标志位c y 寻址等 在8 0 5 l 的指令系统中，源操作数的来源除了r a m 外，还有可能是r o m 。 在某些控制转移类指令例如转移指令中，需要将程序计数器的值p c 进栈，此时 源操作数的来源就是程序计数器p c 。因此还需要引入一个译码器最终选择源操 作数的来源，并获得源操作数s _ _ r e g d a t a 。 如果源操作数需要进行算术逻辑运算，那么s _ r e g d a t a 中的值需要作为一个 运算数送给算术逻辑单元，算术逻辑单元根据控制器送来的算术逻辑运算指令 码，对运算数进行运算后，将结果送到结果操作数寄存器s _ d a t a 中；如果sr e g d a t a 不需要进行算术逻辑运算，那么s _ r e g d a t a 的值直接送给s _ d a t a 。 指令的运算结果最终还要从结果操作数寄存器传送到指令所规定的寄存器 中，