基于RISC结构微控制器的指令分析与软核设计.doc

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1、第一章引言1.1研究基于RISC结构微控制器的重要性和意义不同机器的指令系统是各不相同的.从指令的操作码功能来考虑,一个较完善的指令系统,应当包括数据传送指令、算术运算指令、程序控制类指令、输入输出类指令、字符串类指令、系统控制类指令等。CISC（复杂指令系统计算机）的指令系统一般多达二三百条。但对CISC机进行的测试表明，最常使用的是一些最简单最基本的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占到80%。同时在CISC系统中往往配备有大量的寻址方式，这就使得CISC处理器存在执行效率不高，开发成

2、本过大等缺点。上世纪80年代初，计算机的设计者们就对计算机系统使用复杂指令级这一做法提出了质疑，通过对CISC计算机进行研究，发现大约有80%的指令很少被使用，而经常被使用的指令只占到了指令集的20%。根据以上的情况，设计者们越来越倾向设计带有更少指令集和结构更简单的计算机。这种类型的计算机被归类为RISC(精简指令系统)计算机。RISC处理器有三个基本的要素(1)一个有限的简单的指令集。(2)CPU配备大量的通用寄存器。(3)强调对指令流水线的优化。RISC结构的目标决不是简单的缩减指令系统，而是通过对

3、指令集进行精简设计使处理器的结构更简单，更合理，具有更高的性能和执行效率，并降低处理器的开发成本。典型的RISC机器的特征主要有以下几点：(1).使用等长指令。(2).寻址方式少且简单。(3).只有取数指令存数指令能够访问存储器。(4).指令集中的指令数目一般少于100种，指令格式少于４种。(5).指令周期执行时间多为一个时钟周期。与此相反，CISC指令集具有复杂、庞大的指令系统，一般可达到100到250条。具有多种指令格式（一般大于4种）和复杂的寻址方式（一般可达到5到20种），各种指令使用频率相差很大

4、，一些基本指令虽然只占指令总数的20%但执行频率却达到了80%，各种指令执行时间相差很大。通过对这两种指令系统的比较可以看出，RISC是在继承了CISC的成功技术，并在克服了CISC及其缺点的基础上发展起来的，所以对RISC微处理器的研究有着广泛的科研价值和应用前景。1.2工作内容与工作目标设计微控制器的过程其实是一个提出问题，分析问题，解决问题的实践过程。本文中的章节都是按照这个指导思想编写的。这次毕业设计的目标是期望用硬件描述语言来编写一个基于RISC结构的微控制器。为了达到这个目的，在设计前需要明确

5、以下几点：（1）RISC结构微控制器的特点及组成结构。（2）微控制器的指令格式与寻址方式。（3）微控制器执行指令的原理与具体过程。所要设计的微控制器外部特性及指令系统是以ATMEL90S2313芯片为蓝图。因此熟悉AT90S2313的工作原理及工作方式很有必要。工作的重点有以下四个方面：首先是对ATMEL90S2313的结构与功能进行学习，以便确定所要设计的微控制器组成结构与外部特性。这些内容主要第二章中进行阐述。其次，需要对AT90S2313指令集进行分析，总结出指令格式与寻址方式，这项工作为微控制器各

6、功能模块的设计做好准备，以上的工作成果将会在第三章指令分析中进介绍。再次，需要确定流水指令执行方式的概念，并对其具体实现方式进行研究与讨论，这是第四章的主要内容。最后根据先前工作中的积累，设计出微控制器的总体结构并编写各功能模块的软核，具体的实现过程将会在第五章中详细讨论。需要说明的是，AT90S2313芯片中的模拟部分不在这次设计的考虑中，例如可编程的看门狗定时器，片内模拟比较器等部件。第二章RISC微控制器结构2.1CPU的功能图1.1计算机基本结构图1.1展示了一个标准计算机系统的基本结构。一个计算

7、机系统应当包括以下设备：CPU,内存设备和I/O接口。以上所有设备之间的通信凭借系统总线来开展，具体而言是通过数据总线，地址总线和控制总线来进行各个设备之间信息传递的。CPU全称叫做中央处理单元（CENTRALPROCESSINGUNIT），它就像是计算机的大脑，对整个计算机系统的运行起着重要的作用，有如下四方面的基本功能：指令控制程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，需要严格按程序规定的顺序进行，因此，保证计算机按顺序执行程序是CPU的首要任务。操作控制一

8、条指令功能是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令要求进行动作。时间控制在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。而CPU通过对操作信号的定时控制而达到使整个系统自动工作的目的。数据加工CPU可以对数据进行算术运算和逻辑运算。对数据的加工处理，是CPU的根本任务。因为原始数据只