【摘要】： 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,嵌入式單片機(jī)正在發(fā)揮著越來越重要的作用,對(duì)嵌入式單片機(jī)的設(shè)計(jì)也一直是電子工程師所關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解決工業(yè)領(lǐng)域?qū)纹瑱C(jī)的需求,提高單片機(jī)各方面的性能,本文對(duì)一款能夠兼容MCS-96系列單片機(jī)指令集的CPU核進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。 MCS-96系列單片機(jī)是Intel公司推出的CHMOS的單片機(jī),它的指令集具有使用靈活、易于編程等優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的CPU核能夠?qū)ζ渲噶罴?4條指令共計(jì)111個(gè)操作碼實(shí)現(xiàn)兼容,并預(yù)留出了其余指令的擴(kuò)展空間。 設(shè)計(jì)的CPU核分為數(shù)據(jù)通路和控制通路兩部分,主要由寄存器堆、寄存器算術(shù)邏輯單元、控制單元和中斷控制器四個(gè)單元組成,并且在指令的執(zhí)行過程中采用了流水線技術(shù)。 寄存器堆主要是由Memory Compiler綜合生成的SRAM陣列。 寄存器算術(shù)邏輯單元是主要的數(shù)據(jù)處理單元。在它的設(shè)計(jì)過程中采用了資源共享的策略,同時(shí)對(duì)運(yùn)算單元的邏輯進(jìn)行化簡(jiǎn),并使用了超前進(jìn)位鏈的擴(kuò)展算法,從而減小了硬件電路的面積。 控制單元控制著CPU核各部分的工作節(jié)拍。因?yàn)橹噶铋L(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間不同,引入了指令長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器和指令步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器,對(duì)指令的執(zhí)行過程進(jìn)行控制。中斷控制器可以將中斷源分為16個(gè)中斷處理優(yōu)先級(jí)別,產(chǎn)生中斷處理申請(qǐng)信號(hào)和相應(yīng)的中斷向量,實(shí)現(xiàn)中斷屏蔽等。 設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了充分的仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明設(shè)計(jì)可以正確地執(zhí)行要求的指令。在工作頻率為40MHz的條件下綜合,沒有出現(xiàn)時(shí)序沖突。綜合后仿真結(jié)果正確。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文性能上也有了明顯提高，從而適用于更加復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。MCS-96 單片機(jī)有多種型號(hào)，不同型號(hào)配置有不同的功能部件，且具有不同存儲(chǔ)空間和尋址能力，可滿足不同場(chǎng)合的要求[24]。MCS-96 系列的成員都是帶有 16 位CPU的高性能芯片，并且?guī)в兄辽?230字節(jié)的片上RAM[25]。它們都有一個(gè)基于寄存器到寄存器結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，因此不需要額外的累加器，而且大部分操作可以在寄存器間完成。這種結(jié)構(gòu)消除了累加器的瓶頸現(xiàn)象，加快了數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，寄存器操作可以控制眾多的片上外設(shè)，包括I/O口、10 位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM(脈寬調(diào)制器)、SIO(全雙工串行I/O口)等，在調(diào)制解調(diào)器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、打印機(jī)、影印機(jī)、空調(diào)以及醫(yī)療設(shè)備等眾多方面，MCS-96 系列單片機(jī)都得到了非常廣泛的應(yīng)用[26]。所有的MCS-96 成員都具有相同的指令集和結(jié)構(gòu)，而CHMOS產(chǎn)品在更低功耗的條件下可以提供更高的性能。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低功耗，它們還可以被設(shè)置為休眠模式和關(guān)機(jī)模式[27]。典型的 MCS-96 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文2.4.2 CPU 核的結(jié)構(gòu)考慮到要設(shè)計(jì)的是一個(gè) CPU 的內(nèi)核而不是整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，所以在結(jié)構(gòu)上有所取舍。這里的 CPU 核在整體上對(duì) MCS-96 單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了裁剪，在具體結(jié)構(gòu)上有所變通、整合。將 CPU 核主要分為 4 個(gè)模塊，分別是寄存器堆，寄存器算術(shù)邏輯單元(RALU)，控制單元(CU)和中斷控制器。它們之間的連接關(guān)系如圖 2-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：TP332

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本文編號(hào)：2689753