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1、2006年第23卷第4期微电子学与计算机71一种8位单片机中ALU的改进设计袁波李树荣姚素英赵毅强张生才(天津大学专用集成电路设计中心,天津300072)摘要:文章提出了一种精简指令集8位单片机中,算术逻辑单元的工作原理。在此基础上,对比传统PIC方案、以及在ALU内部再次采用流水线作业的332方案、44方案,并用Synopsys综合工具实现了它们。综合及仿真结果表明,根据该单片机系统要求,44方案速度最高,比332方案可提高43.9%,而面积仅比最小的332方案增加1.6%。在分析性能差异的根本原
2、因之后,阐明了该方案的优越性。关键词:单片机,精简指令集,算术逻辑单元,流水线中图法分类号:TN47文献标识码:A文章编号:1000-7180(2006)04-071-04DesignofALUBasedonan8_BitRISCSinglechipYUANBo,LIShu-rong,YAOSu-ying,ZHAOYi-qiang,ZHANGSheng-cai(ICDesignCenter,TianjinUniversity,Tianjin300072)Abstract:Workprinciplef
3、orALUinan8_bitRISCSinglechipmicrocomputerisdescribed.ThetraditionalPICscheme,332Pipelineschemeand44Pipelineschemearecomparedonthebaseoftheprinciple,whichareimplement-edusingSynopsysdesigntools.Resultsfromsynthesisandsimulationshowsthat44schemeoperatest
4、hefast,whichis43.9%fasterandonly1.6%largerthan332scheme.Theessentialreasonwhytheperformanceissodifferentisana-lyzed.Thentheadvantageof44schemeisclarified.Keywords:Singlechip,Microcomputer,RISC,ALU,Pipeline1引言的较好的设计方案,以及其它两种方案存在缺陷的目前,在整个单片机市场中,8位机高居榜首,根
5、本原因。而微芯公司PIC系列单片机在8位机中已居全球第一。PIC单片机的不俗市场表现与其低功耗、高速2系统定义度的优秀性能是分不开的,究其原因,最根本的两ALU需要能够完成与PIC16系列单片机完全点是采用了精简指令集(RISC)技术,和哈佛双总线兼容的全部35条指令的相应操作,具备一级8位流水作业结构。这两点也是自主研发与PIC16系列堆栈电路,以应付中断响应。ALU除需接入数据总相兼容单片机的指导原则。线DB、指令总线IRA[9:7](位选位)外,还需指令译算术逻辑单元是单片机的核心模块之一,其
6、主码器的运算使能信号、控制器的控制信号,以及节要功能是进行算术、逻辑运算,由于运算电路较为拍信号。复杂,ALU常常成为提高单片机性能时的瓶颈,因此对ALU的设计必须充分重视,精益求精。本文根3工作原理与电路结构据设计过程中的功能要求,提出了一种RISC结构8ALU的总体结构框图,如图1所示。下面以44位单片机中ALU的工作原理及电路结构,对比了3流水作业方案为例,详细介绍ALU的工作原理,及种设计方案的差异,即传统的PIC系列单片机ALU电路结构。的设计方案,和两种在ALU内部再次流水线作业的第一操
7、作数PP来自ALU外部的数据总线332方案、44方案,在采用Synopsys综合工具实现DB,其硬件逻辑图,如图2所示。当系统执行非控制了这些方案之后,阐明了44方案是适合功能要求类指令时,运算使能信号CLRB为高电平,则在S1收稿日期:2005-06-17节拍,DB低4位DB[3:0]由CLRB经过4个与门控72微电子学与计算机2006年第23卷第4期使能信号DCtK为低电平。而执行位操作类指令时,DCtK为高电平,AtK为低电平。IRA[9:7]经3~8译码器变为8位独热信号DCBIT。ACC、
8、DCBIT分别由AtK、DCtK经8个与门控制,向前传递,送入8位或门电路。由于AtK、DCtK不会同时为高电平,因此或门输出值表征第二操作数,不会混乱,它们再由S1、S2选通。S1选择低4位为第二操作数KK,送到算术逻辑运算体,S2选择高4位。算术逻辑运算体主要是复杂的组合电路,硬件结构图,如图4所示。第二操作数KK先被送到一组4位异或门,判断是否需要取反操作。异或门的另一个输入为取反判断信号INVK,当INVK为0时KK不变;INVK为1时,KK即被取反。如果指令
