一种兼容mcs51指令集高速mcu设计及实现

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1、国内图书分类号：TN47学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文一种兼容MCS-51指令集的高速MCU的设计及实现硕士研究生：张帅导师：张岩教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2012年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN47U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFAMCS-51-INSTRUCTION-SET-COMPATIB

2、LEHIGHSPEEDMCUCandidate：ZhangShuaiSupervisor：Prof.YanZhangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士

3、学位论文摘要MCU（MicroControllerUnit，微控制单元）自面世以来在数字系统设计中占有重要的位置，具有集成度高、可编程性强的特点，广泛用于工业控制和SoC（SystemonChip，片上系统）等数字系统设计中。但是传统上的8位MCU指令执行效率通常低于20MIPS（MillionInstructionperSecond，百万指令每秒），限制了其在高速计算场合中的应用。本课题来自某公司―数模混合SoC芯片设计‖项目，该项目需要一个执行效率能达到50MIPS且兼容MCS-51指令集的MCU。所谓兼容MCS-51指令集是本MCU的指令集与MC

4、S-51系列MCU指令集相同，可以使用普通的51开发软件（如KeilC51）进行开发。本文首先介绍了MCS-51指令集，接着描述了本设计MCU的组织结构，设计了5级流水线结构，以单时钟周期作为指令运行单位，实现了MCU内核的高速和高效率。在设计运算单元时，本文设计了一个基于进位保留的三输入加法器，利用1个三输入加法器设计了乘法器，该乘法器只需要4个时钟周期就能完成乘法运算。本文改进了标准8051功耗管理模块，该管理模块不仅继承了标准8051的IDLE和STOP模式，还新加入了SUSPEND模式和多时钟源自由切换功能，这样可以使用户更有效的减少芯片功耗。

5、此外，本文采用TSMC0.18um工艺的FlashIP核作为程序存储器，但是该IP只能支持最高30MHz的系统时钟。本文对Flash驱动模块和逻辑控制进行了改进设计使该IP能用于50MHz的系统时钟下。最后，为了验证设计的正确性，本文搭建出基于握手协议的仿真测试平台，调用了OVM（OpenVerificationMethodlogy）库。本文还搭建出基于Xilinx公司的Virtex-2ProXC2VP30FPGA开发板验证平台，并给出了FPGA占用资源统计表。验证结果证明了设计的正确性，同时ISE综合结果显示该设计支持的时钟频率可以达到60MHz。本

6、文实现了兼容MCS-51指令集的MCU的高速设计，在50MHz时钟下可以达到50MIPS的峰值。同目前市场上主流高速兼容MCS-51指令集MCU产品和文献[18-21]相比，性能上有显著提高。关键词：MCU；MCS-51；流水线；功耗管理；Flash存储器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMCU(MicroControllerUnit)playsanimportantroleindigitalICdesignsinceitwasinventedinthelate1970s.Ithasbeenusedinavarietyofapplic

7、ations:industrialcontrol,instrumentation,consumerelectronics,SoC(SystemonChip)andsoon.Unfortunately,becauseofitslowerthan20MIPSprocessingcapability,traditional8-bitMCUs'applicationislargelyconstrainedinmanysituations.Thisresearchcomesfromatrueindustrialproject,"AMixedAnalog-Digi

8、talSignalSoCChip".Inthisproject,anMCUistargeted