基于RISC技术的微控制器研究与设计

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1、东北大学硕士学位论文摘要基于RISC技术的微控制器研究与设计摘要进入21世纪以来电子技术以更加迅猛的速度不断发展，微控制器的应用更加广泛，埘微控制器的要求更加五花八门。同时使用VHDL语言和FPGA／CPLD来设计电路的方法也得到迅速的完善。因此使用VHDL语言来设计一个专用的微控制器成为可能。本文的目的就是要使用这种方法来设计一个特殊的微控制器。论文先从微控制器的核心部分CPU开始分析，着重分析了CPU的工作原理和精简指令集技术(RISC)。然后分析了MCS51和MIPS32系列微控制器的指令系统。在此基础上，展开了微控制器的CPU设计工作。这是一个

2、使用了RISC技术的8位CPU，寻址能力为程序存储器4KB，数据存储器512字节，并且应用了4级流水线来提高CPU的工作效率。流水线中的相关问题得到比较成功的解决。微控制器还含有4个中断源的中断系统，2个定时／计数器和4组I／O口。为了实现总线仲裁功能，在微控制器里又设计了一个总线仲裁部件。该仲裁器的目标系统是一个多DSP系统，仲裁器实现了系统中的集中式仲裁。仲裁的协议全部独立制定，保证了仲裁的可靠性和可行性。这样含有总线仲裁部件的微控制器实际上是一个SoC系统。各个部件都是由VHDL语言和EDA工具设计实现的。EDA工具使用了Xilinx公司的ISE

3、6．1和仿真工具Modelsim5．8c。在Modelsim环境下对各个部件都进行了模拟仿真。并且在最后设计了一段程序实现了微控制器整体仿真。关键词：微控制器；VHDL；RISC：流水线；总线仲裁东北大学硕士学位论文AbstracIStudyandDesignofaRISCMicrocontrollerAbstractEversincethe21stcenturycame，theelectronicstechnologyhasbeendevelopingfasterthaneverbefore，themicrocontrollersarebeingus

4、edmorefrequently,therequiresofmicrocontrollersarevaried．Simultaneously,thecircuitdesignmethodofusingVHDLandFPGA／CPLDhasbeenquicklyimproved．SotodesignaspecialmicrocontrollerwithVHDLispossiblenow．Thegoalhereistouseittodesignaspeciallyusedmicrocontroller．Itbeginswiththeanalysisofth

5、eCPU，coreofthemicrocontroller,whichanalysesalotabouttheworkingprinciplesofaCPUandtheRISCtechnology．ThentheinstructionsetofMCS51andMIPS32seriesmicrocontrollersarestudied．Basedonthese，thedesignofCPUstarts．Itisan8bitRISCCPU，manageableof4KBROMand512bytesRAM，apipelineof4stagesareused

6、toenhancetheefficiency．Thehazardproblembroughtbypipelineissuccessfullysolved．Themicrocontrolleralsohasallinterruptsystemthatcontains4interruptsources，2timer／counterand4I／Oports．Torealizethebusarbitrationfunction，abusarbiterpartisarrangedwithinthecontroller．Theappliedsystemofthea

7、rbiterisamulti-DSPsystem．Theintensivearbitrationinthesystemisachievedbythearbiter．SothemicrocontrollerwhichcontainsanarbiterisinfactanSoCsystem．AllpartsherearecarriedoutbyVHDLandEDAtools．TheEDAtoolsareISE6．1ofXilinxCompanyandthesimulatorModelSim5．8c．IntheModelsimenvironmentevery

8、partaresimulated．Atlast，apieceofprogramisusedto