8位高速微控制器IP软核的设计与实现

摘  要：  本文介绍了一种8位高速微控制器IP软核的设计，该IP采用哈佛总线和二级流水线，指令集与PIC16F676兼容。本文按照自顶而下的设计流程，首先定义了该MCU IP核的顶层功能和体系结构，然后对各单元模块进行了详细的设计，讲述了IP软核的设计方法及其仿真验证，并对该微控制器的读/写时序进行了分析。
关键词：  IP软核；微控制器

引言
    随着集成电路设计的不断发展，集成电路的规模越来越大，设计难度日趋复杂，传统的设计方法已越来越不能适应集成电路设计发展的需要。基于IP复用的数字IC设计方法是有效提高IC设计产能的关键技术，有助于快速实现工艺先进、功能强大的产品。

    微控制器MCU是嵌入式系统的核心，8位MCU IP核具有很高的通用性和灵活性，广泛地应用于工业控制、机械设备、家用电器以及汽车电子等各个领域。本文介绍的是基于RISC体系结构的8位高速MCU IP软核的设计与实现，采用Verilog HDL自上而下地描述了MCU IP软核的硬件结构，并验证了设计的可行性和正确性。在实际硬件电路中，该IP核的运行频率达到75MHz，可应用于高速控制领域。

系统结构设计
    本设计的总线采用了哈佛结构，14位指令字长，8位数据字长，指令集与PIC16F676兼容。它具有35条指令，在连续工作的情况下，除了程序跳转指令要用2个指令周期外，其它的所有指令都可以在1个指令周期内完成。由于哈佛结构总线具有独立的指令总线和数据总线，可同时从程序存储器和数据存储器中分别读取数据，大大提高了MCU内部执行的并行性，简化了控制电路的设计。与更深级流水线相比，简单的指令周期避免了深度流水线增加电路结构复杂性和芯片面积。

    该微处理器在结构上可以划分为四个子系统，分别为控制单元、数据通道、存储单元、I/O单元。其中数据通道包含ALU和一个W工作寄存器。片内程序存储器ROM的容量是8k×14位；数据存储器由包括专用寄存器在内的256个可寻址的8位寄存器组成，通过数据总线与算术逻辑单元ALU相连，系统可以对数据存储器用直接或间接寻址方式进行访问。I/O单元提供了系统内部的数据总线与外界总线的连接接口，实现数据的输入/输出。控制单元则会根据指令产生相应的指示信号控制系统的协调运行。系统结构如图1所示。

MCU IP核的时序设计
时钟网络的时序设计
    本设计的时序设计部分采用内部包含4个节拍时钟的结构，时钟网络模块在复位结束后会利用两级嵌套的D触发器将外部时钟(CLK)分频产生4个非重叠正交的节拍时钟信号q1、q2、q3、q4，一个指令周期分为4个状态。节拍时钟会与译码电路产生的控制信号配合，在不同时钟节拍选通不同的电路操作，进而协调整个系统的运行。

二级流水线时序设计
    本设计所采用的二级流水线划分为取指和执行两级。系统运行时，会在前一指令周期的q4节拍从ROM中取出下一条待执行的指令并锁存在指令寄存器中，在下一指令周期的q1节拍从指令寄存器中取出指令，同时程序计数器(PC)加1，q2到q4对所取指令进行译码和执行。因此，一条指令的完整执行过程大概分为取指令、指令锁存、指令译码、取操作数、执行、回写、PC+1等7个步骤。从时序上看，指令取指周期与执行周期是并行执行的，即在取指的同时，上一条指令正在进入执行周期。

    程序跳转指令与其它单周期指令一样进入流水线，在执行程序跳转指令时，屏蔽下一条指令进入指令译码单元，用空操作指令NOP代替。这样，控制逻辑不需要做太大修改就能满足流水线的执行。二级指令流水线操作过程如图2所示。

MCU IP核的内部电路实现
指令寄存器
    指令寄存器(IR)是为了实现两级指令流水线而设计的。如果没有指令寄存器，那么取指和执行就分别需要占用一个指令周期。但如果利用IR，在上条指令执行的同时把下一条指令从程序存储器ROM中取出来寄存在IR中，这样在每个指令周期内同时有指令的取出和执行，等效来看，一条指令只需要一个指令周期就可以执行完毕，从而提高了效率。

    指令寄存器IR的另外一个功能是当执行分支指令的时候产生空操作，这是采用指令流水线结构所必需的。例如在执行程序跳转指令GOTO的时候，由于GOTO指令会改变程序计数器PC的值，跳转到另外的地址，那么在执行GOTO指令时取得的紧接GOTO的下一条指令就不是要执行的下一条指令，这个已经取得的指令就必须被屏蔽。具体的操作是在执行GOTO指令的时候，指令译码单元产生清零信号使得指令寄存器内部14位寄存单元被清零，那么下一指令周期的输出就变为NOP指令。在执行该空操作的同时把GOTO指令跳转后指向地址对应的指令取出来，在下个指令周期执行。

指令译码单元
    指令译码单元在每个时钟周期的q1节拍接收来自IR的14位执行指令，并对指令进行译码工作，给出其它各单元的操作控制信号，包括算术逻辑单元(ALU)的运算控制信号、RAM的读写控制、总线控制器的选择信号、PC寻址等。

算术逻辑单元
    算术逻辑单元(ALU)是微控制器运算电路的核心部分，主要功能是按照指令译码器输出的控制信号，实现算术运算、逻辑运算、循环移位等操作。ALU的字宽是8位，在ALU中做运算的2个操作数分别来自W寄存器和数据总线，最后运算的结果由指令译码后的控制信号决定是存放在W寄存器中，还是通用寄存器RAM中。本文通过将加、减操作复用到一个8位超前进位加法器，大大缩短了ALU算术运算的时间，进而提高了整个系统的运行速度。

程序计数器和堆栈
    13位的PC对8k×14bit的ROM进行寻址，八级堆栈存储的是ROM的地址，即在主程序中调用的子程序最多允许嵌套8次。当系统复位后PC从0000h地址开始执行，然后在每个指令周期q1节拍，PC自动加1。当执行GOTO指令时，就从指令中获取地址来改变PC的值，然后PC再在此基础上自动加1，顺序执行指令。当执行调用子程序指令CALL指令时，把取指的地址送到堆栈保护起来，然后PC装载子程序入口的地址，接着顺序执行子程序指令直到子程序执行完，程序返回时把堆栈中的地址装载到PC，PC继续自动加1顺序执行指令。

    在每个时钟周期，PC会检测是否有来自中断处理单元的中断请求信号发生，一旦有中断响应，PC就会进入中断处理模式，把中断现场的地址送入堆栈保护起来，并在下一指令周期PC指向中断向量地址0004h，这是中断服务程序的入口地址，系统执行中断服务程序直到中断返回，再把保护在堆栈的中断现场地址加载到PC中，然后又顺序执行指令。

定时器/计数器
    TIMER0为8位可读写的定时器/计数器单元，其内部有一个分频器，可以通过寄存器配置选择定时或计数工作方式，以及分频器的分频比，分频比最高可达1：128。当TIMER0从FFh到00h计数溢出时，将产生TIMER0中断。

中断处理单元
    中断处理单元会响应各个中断源的中断，并向系统的控制电路发出总中断请求信号。该单元设置有8位中断控制寄存器和外设中断寄存器，使用标志位来记录各种中断请求。中断控制寄存器还包括各中断的使能控制位以及全局中断使能位。全局中断使能位将使能(置1时)所有未被屏蔽的中断，或禁止(清零时)所有中断。一旦进入中断服务程序，可通过查询中断标志位确定中断源。

双向I/O
    PORTA和PORTC为2个6位双向I/O端口，每个端口有2个物理寄存器，分别是方向寄存器和数据寄存器。方向寄存器控制对应端口的输入/输出属性，数据寄存器负责锁存输入/输出数据。

MCU IP核的硬件仿真
    IP软核的仿真测试是设计过程中非常重要的环节，通过自主建立的测试向量库，编写了覆盖所有指令的测试文件，对软核的多种指令、地址和数据组合进行了仿真测试，提高了软核功能仿真的测试覆盖率，保证了设计的正确性。由PORTA和PORTC的输出来验证设计正确性。部分信号波形如图３所示，在正常情况下，地址是在每个指令周期进行加1取指的；当中断信号int_req=1时，地址在下一指令周期跳到中断向量地址0004h，同时屏蔽下一条指令进入指令译码单元，用NOP指令代替。

结语
    本文介绍了一个8位RISC结构的高速微控制器IP软核的设计，其指令集与PIC16F676兼容，采用模块化结构，面向硬件映射，保证可综合性。该核使用VerilogHDL 为RTL 级描述语言，通过了ActiveHDL仿真验证后，用Quartus II 5.0进行综合，并在Altera的EP1C12Q24C08器件上实现了布局布线。经测试，时钟频率达到了75MHz，验证了设计的正确性，为今后的设计积累了大量有益的经验。

参考文献
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4. PIC16/17 Microcontroller Data Book, Microchip Technology Inc., May,1995