居水榮

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 微電子學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214153)

微控制器(MCU)是集成電路中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品類型，其中八位MCU 又是對(duì)使用者來(lái)說性價(jià)比最佳的系列。MCU 的設(shè)計(jì)中最重要的部分是其內(nèi)核(CORE)的設(shè)計(jì)，在內(nèi)核設(shè)計(jì)完成后，再配上一些外圍資源，即可形成一個(gè)能夠?qū)嶋H使用的產(chǎn)品。由于整機(jī)市場(chǎng)對(duì)MCU 的規(guī)格在不斷變化，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)說如何設(shè)計(jì)一種能夠針對(duì)不同應(yīng)用內(nèi)核并且不受工藝條件限制的產(chǎn)品是一項(xiàng)重要且有意義的工作。

本文針對(duì)一種八位MCU 進(jìn)行內(nèi)核的行為設(shè)計(jì)，形成一個(gè)通用的、通過邏輯綜合可以對(duì)應(yīng)到不同工藝的內(nèi)核;即采用top-down 設(shè)計(jì)方法，作core-based 設(shè)計(jì)，形成所需產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上可以接受不同用戶開發(fā)不同的產(chǎn)品。

1 八位MCU CORE 的結(jié)構(gòu)及各部分功能

本文所設(shè)計(jì)的八位MCU CORE 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中，ALU 為算術(shù)邏輯運(yùn)算單元;A-Reg 為累加寄存器;X-Reg 為變址寄存器;PC 為程序計(jì)數(shù)器;SP 為堆棧指針;CCR 為條件碼寄存器;MOPGEN 為微操作產(chǎn)生單元，包括指令寄存器、指令周期狀態(tài)機(jī)及微操作編碼電路;MOP 為微操作接口單元;INTERUPT 為內(nèi)、外部中斷模塊;CLOCK 為時(shí)鐘產(chǎn)生單元;RESET 為復(fù)位模塊。

圖1 8bit MCU CORE 的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU

ALU 為CORE 的核心單元之一，是一個(gè)8 位的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，它完成所有的邏輯和算術(shù)運(yùn)算。

1.2 累加寄存器A-Reg 和變址寄存器X-Reg

累加寄存器和變址寄存器均為8 位寄存器，累加寄存器用于存放算術(shù)或數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)的第一操作數(shù)和結(jié)果，而變址寄存器則主要用于變址尋址，它包含一個(gè)8 位值，可與0、8 或16 位立即數(shù)相加，產(chǎn)生有效地址。

1.3 程序計(jì)數(shù)器PC 和堆棧指針SP

程序計(jì)數(shù)器PC 是一個(gè)最高3 位始終為0 的16 位寄存器，它包含下一條將執(zhí)行指令的地址;堆棧指針SP 是一個(gè)13 位寄存器，它包含堆棧中下一個(gè)空閑單元的地址，實(shí)際的堆棧為6 位，高7 位始終為0000011。

1.4 條件碼寄存器CCR

CCR 又可稱之為程序狀態(tài)字(PSW)寄存器，它有5位，其中半進(jìn)位H、負(fù)標(biāo)志位N、零標(biāo)志位Z 和進(jìn)位/借位標(biāo)志位C 指示剛剛執(zhí)行完的指令的結(jié)果，I 位用于禁止/允許中斷。這些狀態(tài)位可由程序分別測(cè)試，并按它們的狀態(tài)執(zhí)行指定的操作。CCR 可看作一個(gè)8 位寄存器，它的高3 位始終為1。

1.5 微操作產(chǎn)生單元MOPGEN

MOPGEN 為CORE 的另一核心單元，它主要完成以下操作：從內(nèi)部數(shù)據(jù)總線選擇進(jìn)入指令的數(shù)據(jù);根據(jù)指令類型確定指令時(shí)序周期;根據(jù)指令所需完成工作給出指令操作每一節(jié)拍內(nèi)控制ALU 及內(nèi)部寄存器的微操作，其內(nèi)部數(shù)據(jù)流如圖2 所示。

圖2 MOPGEN 中的數(shù)據(jù)流

DB 為CPU 中的數(shù)據(jù)總線，它上面的數(shù)據(jù)包含指令數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)。在先行脈沖的控制下指令寄存器從數(shù)據(jù)總線上獲取指令，產(chǎn)生16 位數(shù)據(jù);這16 位數(shù)據(jù)一方面進(jìn)入指令周期狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生一組10 位狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面與狀態(tài)數(shù)據(jù)一起進(jìn)入微操作編碼器產(chǎn)生67 個(gè)微操作，用來(lái)控制ALU 的運(yùn)算方式及內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)流。指令周期狀態(tài)機(jī)輸出決定指令執(zhí)行周期，當(dāng)指令執(zhí)行完之后，產(chǎn)生先行脈沖，去控制指令寄存器從CPU 數(shù)據(jù)總線上選擇下一個(gè)指令。

1.6 微操作接口單元MOP

從MOPGEN 產(chǎn)生的67 個(gè)微操作在控制ALU 的運(yùn)算及內(nèi)部數(shù)據(jù)流之前先要經(jīng)過MOP 這一模塊，在CPU主時(shí)鐘的作用下，該模塊產(chǎn)生以下幾類控制信號(hào)：基本運(yùn)算方式及運(yùn)算結(jié)果控制信號(hào);移位及負(fù)操作控制信號(hào);內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與外部數(shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)交換控制信號(hào);程序計(jì)數(shù)器控制信號(hào);堆棧指針控制信號(hào)。

1.7 內(nèi)部、外部中斷模塊INTERRUPT

INTERRUPT 模塊主要完成以下功能：產(chǎn)生外部中斷、定時(shí)器中斷、SCI 中斷及SPI 中斷的標(biāo)志信號(hào);產(chǎn)生以上這些中斷的中斷向量;產(chǎn)生STOP 及WAIT 低功耗方式的控制信號(hào)。

1.8 時(shí)鐘產(chǎn)生單元CLOCK

外接晶振經(jīng)過時(shí)鐘產(chǎn)生單元分頻等處理后產(chǎn)生以下時(shí)鐘：CPU 主時(shí)鐘;定時(shí)器、串行通信接口SCI、串行外圍接口SPI 時(shí)鐘;CPU、I/O 口、ROM、RAM 時(shí)鐘;定時(shí)器、串行通信接口SCI、串行外圍接口SPI 時(shí)鐘;SCI、CPU 時(shí)鐘;I/O 外圍擴(kuò)展時(shí)鐘。

1.9 復(fù)位模塊RESET

復(fù)位模塊的功能：外部復(fù)位信號(hào)及電路內(nèi)部上電清零信號(hào)，經(jīng)過與CPU 時(shí)鐘之間的邏輯組合產(chǎn)生CORE 的復(fù)位信號(hào)。

2 指令在MCU CORE 中的執(zhí)行

本文設(shè)計(jì)的8 位MCU 共有210 條指令，所有指令均在MCU 內(nèi)核(CORE)中適用。

指令調(diào)試是在由MCU CORE、ROM 和RAM 等組成的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的，該結(jié)構(gòu)如圖3 所示;在指令調(diào)試過程中，編寫了包括210 條指令的程序，盡可能考慮各種應(yīng)用條件;另外在調(diào)試過程中還包括了上電復(fù)位、外部Reset 腳復(fù)位和各種中斷請(qǐng)求。

圖3 指令調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖

下面以帶進(jìn)位加指令來(lái)示意指令的執(zhí)行，該指令有六種尋址方式，其指令形式、操作碼、完成操作、執(zhí)行周期及該指令影響的條件碼等列入了表1。

表1 帶進(jìn)位加指令

3 MCU CORE 的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的MCU CORE 覆蓋了微處理芯片的CPU、時(shí)鐘、RESET、內(nèi)部及外部中斷請(qǐng)求等，占芯片總邏輯的一半左右，在它的基礎(chǔ)上加上存儲(chǔ)器、定時(shí)器、SCI、SPI 和I/O 口等之后即構(gòu)成了一完整的微處理芯片，若配置其他模塊，可進(jìn)行以MCU68HC05 CORE 為基礎(chǔ)的core-based 設(shè)計(jì)，研發(fā)系列產(chǎn)品，框架結(jié)構(gòu)舉例如圖4 所示。

圖4 MCU CORE 的配置舉例

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種MCU 的內(nèi)涵模塊，用Verilog 語(yǔ)言作行為描述，通過210 條指令的執(zhí)行證明所設(shè)計(jì)的CORE 基本上反映了一款微處理器的CPU 行為，再輔之以一些存儲(chǔ)器及外圍元件即可形成一塊完整的8 位微處理器。

通過本項(xiàng)目研究，我們基本掌握了一種8 位CPU CORE 的工作機(jī)理和core-based 設(shè)計(jì)要點(diǎn)。