基于risc结构微控制器的指令分析与软核设计

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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

2、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)

3、.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，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

4、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：

5、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

6、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

7、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