兼容MCS-51指令集的軟核設(shè)計.pdf

1、在嵌入式設(shè)計領(lǐng)域現(xiàn)在有很多微處理器可供選擇，比如低端領(lǐng)域的AVR，PIC，MCS-51，Microchip等，高端的如ARM系列和Cortex系列，眾多微處理器中MCS-51內(nèi)核的微處理器現(xiàn)在依然被廣泛使用，但是MCS-51處理器內(nèi)部工作頻率是外部晶振頻率的1/12，即通常所說的工作頻率是外部頻率的十二分頻，這是由MCS-51指令集的特點決定的。MCS-51指令集是復(fù)雜指令集，指令字節(jié)數(shù)和指令執(zhí)行所需時鐘數(shù)不固定，指令執(zhí)行時間以機(jī)器周期

2、為單位，最少12個時鐘，最多48個時鐘。這種時鐘約束限制了處理器的處理速度，隨著物聯(lián)網(wǎng)，智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，我們對高性能低功耗處理器的需求越來越多，因此我們希望能夠提高處理器的處理速度，為達(dá)到這個目的一方面可以通過采用先進(jìn)工藝提高器件的速度，另一方面可以從指令執(zhí)行效率方面進(jìn)行優(yōu)化。
　　本文從優(yōu)化指令執(zhí)行效率方面著手，通過引入二級流水線的方式提高指令集的執(zhí)行效率，完成一個兼容MCS-51指令集的軟核設(shè)計，該軟核能夠運行Keil編譯

3、過的C語言程序，完成IO，算術(shù)運算，邏輯運算，定時器，外部中斷，串口通信等功能，實現(xiàn)MCS-51全部功能，平均指令執(zhí)行時間為7個時鐘，執(zhí)行時間相比原有規(guī)范平均降低50％，使用Synplify綜合結(jié)果表明軟核可運行的最高時鐘為109MHz，整體性能和現(xiàn)在市場已有產(chǎn)品都有明顯提升。軟核通過Modelsim時序仿真和FPGA板級驗證，在仿真驗證部分提出了日志對比，內(nèi)存比較等自動化測試和驗證的方法，在大規(guī)模集成電路設(shè)計中這些自動化的仿真驗證方法