基于risc的8位微控制器的研究与设计

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1、湖南大学硕士学位论文基于RISC的8位微控制器的研究与设计姓名：华孝泉申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：方厚辉20060509基于RISC的8位微控制器的研究和设计摘要微控制器(MCU)的发展已经有二十多年了，从8位发展到16位、32位、64位，已经开发出很多的品种，但是国内市场基本是国外品牌的天下，为了尽快赶上国际先进水平，我们需要借鉴和吸收国外成功的经验。微控制器是许多数字系统的核心部件，其控制复杂，对鲁棒性、面积、功耗、运算速度、功能等方面都有很高的要求，设计拥有自主知识产权的高性能MCU一直是集成电路设计领域一个富有挑战性的课题。本文的研究正是对此

2、做一次有益的尝试和实践。本文深入细致地研究了Microchip技术公司的PICl6C5X系列微控制器的指令系统和系统结构，深入理解了微控制器的工作原理和设计方法，进而确定微控制器的总体结构，以及各层次模块的功能和结构。针对PICl6C5X系列微控制器不能适用于高速场合的需要，对其时序结构进行了改进设计，用单时钟代替原来的四相时钟技术，采用二级流水结构，配合指令的工作节拍，使指令执行周期缩短为单个时钟周期。另外，应用超前进位加法器于算术逻辑运算单元中，实例化了算术逻辑单元，精心设计了微控制器的核心部件算术逻辑单元。通过以上改进，使其时钟频率高于PICl6C5X的最高时钟频率

3、20MHz。本设计中采用硬件描述语言Verilog及自顶而下(Top．Down)的设计方法设计了改进型微控制器，通过搭建验证平台，采用交叉的验证方案(针对不同指令的验证，针对不同功能块的验证和整体验证相结合)对该MCU进行了验证。并从覆盖率角度衡量了整个设计中代码的优劣，发现了测试方案中未被覆盖的部分，为仿真验证过程增加了可信度。最后，采用Synplicity公司的高层综合工具Synplify对所设计的MCU进行了综合，分别选用Xilinx公司的Spartan和Virtex系列器件，综合结果验证了改进型MCU满足了要求，工作频率达到66MHz。论文所涉及的研究成果以及对于

4、具体电路单元的分析对于中央处理单元的设计具有一定的参考价值，同时，对于微处理器芯片的设计也有很多参考之处。关键词：微控制器；流水结构：多时钟：Verilog；FPGA验证AbstractMicro·ControllerUnit(MCU)havebeendevelopingformorethantwentyyearsandagreatmanymicrocontrollersthatrangedfrom8bit，16bit，32bitto64bitarepresentedsuccessively．Famousforeignproducershavealmostoccupied

5、theinternalmarket，SOweshouldstudytheirsuccessfuldesignexperience．MCUisthekeycomponentofmanydigitalsystems．TosuccessfullydesignaMCUw讯hourownintellectualpropertyisnotonlywithgreatchallengebutalsoourpursuingidealandgoalbecauseMCUisverycomplicatedinstructureandcallsforhighrequirementinsuchasp

6、ectsasrobust，area，speed，powerconsumptionandfunction．Thesubjectofthisthesis——AneightbitembeddedRISCMicrocontrollerUnitIPCoredesignisjustahelpfultryandpracticewiththismethodology．Thispapergivescompleteanalysisfortheinstructionset，systemarchitectureandsystemtimesequenceofPIC16C5Xon-chipcompu

7、ter．Basedonanalysis，wefinishedthearchitecturedesignandthedivisionofthefunctionalmodules．AllowingforthePIC16C57MCUcannotsuitthehighspeedsituation，weimprovingtheclockstructurethroughusingoneclockinsteadoftheoriginalfourclocktechnology．Cooperatingtheinstructionworkstep