一種兼容MCS-51指令集的高速M(fèi)CU的設(shè)計及實(shí)現(xiàn).pdf

1、MCU(Micro Controller Unit,微控制單元)自面世以來在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中占有重要的位置,具有集成度高、可編程性強(qiáng)的特點(diǎn),廣泛用于工業(yè)控制和SoC(System on Chip,片上系統(tǒng))等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中。但是傳統(tǒng)上的8位MCU指令執(zhí)行效率通常低于20MIPS(Million Instruction per Second,百萬指令每秒),限制了其在高速計算場合中的應(yīng)用。
　　本課題來自某公司“數(shù)模混合SoC芯片設(shè)計

2、”項(xiàng)目,該項(xiàng)目需要一個執(zhí)行效率能達(dá)到50MIPS且兼容MCS-51指令集的MCU。所謂兼容MCS-51指令集是本MCU的指令集與MCS-51系列MCU指令集相同,可以使用普通的51開發(fā)軟件(如Keil C51)進(jìn)行開發(fā)。
　　本文首先介紹了MCS-51指令集,接著描述了本設(shè)計 MCU的組織結(jié)構(gòu),設(shè)計了5級流水線結(jié)構(gòu),以單時鐘周期作為指令運(yùn)行單位,實(shí)現(xiàn)了MCU內(nèi)核的高速和高效率。在設(shè)計運(yùn)算單元時,本文設(shè)計了一個基于進(jìn)位保留的三輸入加

3、法器,利用1個三輸入加法器設(shè)計了乘法器,該乘法器只需要4個時鐘周期就能完成乘法運(yùn)算。
　　本文改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)8051功耗管理模塊,該管理模塊不僅繼承了標(biāo)準(zhǔn)8051的IDLE和STOP模式,還新加入了SUSPEND模式和多時鐘源自由切換功能,這樣可以使用戶更有效的減少芯片功耗。
　　此外,本文采用TSMC0.18um工藝的Flash IP核作為程序存儲器,但是該IP只能支持最高30MHz的系統(tǒng)時鐘。本文對Flash驅(qū)動模塊和邏輯控

4、制進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計使該IP能用于50MHz的系統(tǒng)時鐘下。
　　最后,為了驗(yàn)證設(shè)計的正確性,本文搭建出基于握手協(xié)議的仿真測試平臺,調(diào)用了OVM(Open Verification Methodlogy)庫。本文還搭建出基于Xilinx公司的Virtex-2 Pro XC2VP30 FPGA開發(fā)板驗(yàn)證平臺,并給出了FPGA占用資源統(tǒng)計表。驗(yàn)證結(jié)果證明了設(shè)計的正確性,同時 ISE綜合結(jié)果顯示該設(shè)計支持的時鐘頻率可以達(dá)到60MHz。