一种兼容某c某-51指令集的高速某cu的设计与实现

《一种兼容某c某-51指令集的高速某cu的设计与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景MCU（MicroControllerUnit，微控制单元），最初被称作单芯片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），也就是人们常说的单片机。它是将CPU（CenterProcessingUnit，中央处理器）、数据存储器RAM（RandomAccessMemory，随机读/写存储器）、程序存储器ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）以及I/O（Input/Output，输入/输出）接口集成在一块芯片上，构成一个计算机系统。MCS-51是指由Intel公司生产的一系列MCU的总称，这一

2、系列MCU包括8051、8031、8751、8032、8052、8752等。8051的面世时间是1980年，是MCS-51系列产品中最早和最典型的产品。该系列的其它MCU都是以8051为基础进行功能的增减、改变而得到的：将8051的ROM存储器用EPROM替换得到8751，将8051去掉ROM存储器就是8031。因此常用8051来称呼MCS-51系列MCU。8051最初采用NMOS工艺，1983年Intel推出采用CMOS工艺的产品80C51，大受市场推崇。80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂商，如Philips、A

3、tmel、Siemens等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列兼容产品，准确的说是与MCS-51指令集兼容的MCU产品。这些产品保留了8051的基本部件，主要改进为优化时钟速度[1]和增加了其它外围模块。近年来，许多半导体厂商以MCS-51系统单片机的8051为内核，将许多应用系统中的标准外围电路（如A/D转换器、D/A转换器、实时时钟等）或接口（SPI、I2C、CAN、Ethernet等）集成到MCU中，在单个芯片上集成了一个完整的系统，形成了SoC（SystemonChip，片上系统）类型的MCU，从而生产出多种功能强大、使用灵活的新一代MCS-51系列MCU。例如

4、Philips公司的P87C591集成了CAN总线接口，SiliconLabs的C8051F336集成了温度感应模块，NordicNRF9E5集成了RF收发模块，原Dallas公司的DS80C400集成了Ethernet和CAN接口等。MCU以其卓越的性能，在人们生产生活的各个方面，如工业控制、智能仪器仪表、生活家电、消费电子等，得到了广泛的应用。随着微电子技术的发展，MCU的形式越来越多，世界上很多芯片制造公司都推出了自己的MCU产品，-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从8位、16位到32位，种类很多，有与MCS-51系列兼容的，也有不兼容的，它们各具特色，互为补充，

5、为单片机的应用开辟了广阔的天地。1.2国内外研究现状前文的介绍已经表明8位MCU在目前仍具有广阔的应用空间，但属于CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）的MCS-51系列[2]MCU指令执行效率较低，完成一条指令通常需12至24个时钟，执行效率小于3MIPS，这大大限制了它在高速控制中的应用。不少大专院校、研究机构和公司都在积极地寻求提高指令执行速度的办法，这些方法总体上看归为三类：（1）采用RISC指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）的概念是1974[3,4]年J

6、ohnCocke提出的，他证明了计算机中20%的指令承担了约80%的工作。RISC的最大特点是使用流水线结构，大大增强了并行处理的能力。在8位RISC中，Microchip公司的PIC系列产品应用最为广泛。Microchip公司的PIC16F87x系列MCU内核含33条指令，指令宽度为14位，数据宽度为8位，采用2级流水线结构，每4个时钟周期作为一个指令周期，在33MHz时钟频率下[5]指令执行效率为8MIPS。采用2级流水线结构的PIC16F87x影响广泛，很多研发人员通过缩减机器周期数或增加流水技术等方法设计出兼容PIC16F87x指令[6-9]集的RISC内核。Mi

7、crochip公司也于2008年推出采用单时钟周期和流水线结构时钟频率在40MHz时钟频率下执行效率可达40MIPS的PIC18F45J10MCU产品。（2）改进8051内核805l作为一款经典的8位CISC，其编译工具、开发坏境和调试手段都比较成熟，所以继续使用MCS-51指令集也很有优势，采用缩减机器周期数、流水线结构、预取结构等技术改进原先8051内核，提高指令执行效率。Atmel的AT89C51系列、DallasSemiconductor的产品以四个时钟周期为一个[10]机器周期，Infineon的则以2个时钟周期为一