基于流水線架構(gòu)8051微控制器內(nèi)核的實(shí)現(xiàn).pdf

1、在嵌入式系統(tǒng)低端的微控制器領(lǐng)域，從8位微控制器誕生至今的近30年里，8051系列一直扮演著一個(gè)獨(dú)特的角色。由于MCS-51提供的最佳兼容性，使MCS-51在被改造后，還能以不變的指令系統(tǒng)、基本單元的兼容性保持著8051內(nèi)核的生命延續(xù)，并在未來片上系統(tǒng)（SOC）發(fā)展中，擔(dān)任8位微控制器內(nèi)核的重任[1]。 本課題的研究就是在此產(chǎn)業(yè)背景下，為滿足當(dāng)前工程應(yīng)用需要，通過對內(nèi)核的重新定義，改造和設(shè)計(jì)，設(shè)法提升8051內(nèi)核的指令執(zhí)行效率。相

2、關(guān)資料表明，在過去十年間改造8051內(nèi)核指令執(zhí)行效率的辦法大致有以下兩種： 1）維持最初內(nèi)核結(jié)構(gòu)定義，將機(jī)器周期從12個(gè)縮短到6個(gè)或4個(gè)。但這種改造方式指令執(zhí)行效率提升有限； 2）通過改變編譯器，將指令代碼設(shè)計(jì)為RISC。指令執(zhí)行周期完全是一個(gè)周期。但這樣實(shí)現(xiàn)方式，在實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制。除此以外設(shè)計(jì)復(fù)雜度相對較高，成本也比較高。 而本課題側(cè)重點(diǎn)在提升8051指令執(zhí)行效率上采取了新的途徑，采用不同于以上的第三種

3、方式，即設(shè)法在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，多指令按照節(jié)拍并行執(zhí)行，以提高在程序執(zhí)行時(shí)的指令執(zhí)行效率。在本文闡述了針對8051內(nèi)核多級流水結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)而提出的五點(diǎn)新設(shè)計(jì)構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)過程： 1）所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)時(shí)鐘：在本課題所設(shè)計(jì)的內(nèi)核系統(tǒng)中，已經(jīng)沒有傳統(tǒng)8051機(jī)器周期的概念。這也就是說，當(dāng)內(nèi)核具體運(yùn)行時(shí)，外部的振蕩器時(shí)鐘就是內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘。這樣設(shè)計(jì)的用意在于對整體功耗的考慮。而可以如此設(shè)計(jì)的依

4、據(jù)是由于內(nèi)核和今后可能所設(shè)計(jì)的存儲器之間有良好的存取時(shí)序匹配。 2）當(dāng)前指令的譯碼決定流水的分級：內(nèi)核指令具體實(shí)現(xiàn)什么樣的操作其實(shí)就是由操作碼實(shí)現(xiàn)的。而所謂的譯碼在流水的分級前，最主要的就是看“操作碼”譯碼的結(jié)果如何。而“操作數(shù)”的譯碼結(jié)果直接與數(shù)據(jù)相關(guān)問題的合理處理直接有關(guān)。 3）指令并行處理，存在當(dāng)前指令和預(yù)取指令：本課題所設(shè)計(jì)的流水內(nèi)核的指令并行處理，最主要的就是增加了預(yù)取指令操作。這也就是本課題流水的核心設(shè)計(jì)之一

5、。這個(gè)過程完全通過系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。而遇到外部的中斷時(shí)，會做必要的保護(hù)處理。在這里借鑒一些32位處理器成熟的流水控制并行設(shè)計(jì)方法。 4）流水控制，多級化控制調(diào)度：這也就是本課題流水的核心設(shè)計(jì)之二。針對內(nèi)核設(shè)計(jì)，特別是基于流水架構(gòu)的內(nèi)核設(shè)計(jì)，在本課題中解決的另外一個(gè)核心問題就是多指令并行流水調(diào)度。特別是在8051指令編譯系統(tǒng)不改變的前提下，所設(shè)計(jì)的內(nèi)核兼容其二進(jìn)制機(jī)器碼。 在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，流水控制采用多級化控制管理

6、調(diào)度。這取決對指令周期的管理和調(diào)度；對指令目標(biāo)存儲器（累加器，寄存器和存儲器）的調(diào)度和管理；對指令功能的管理和調(diào)度（位操作，字節(jié)操作還是跳轉(zhuǎn)操作）。 5）沖突問題（Hazard）的處理：遇到關(guān)于數(shù)據(jù)沖突，結(jié)構(gòu)沖突的解決，統(tǒng)一安排采用增加一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍的問題加以解決。這種設(shè)計(jì)思路在平衡和系統(tǒng)開銷，設(shè)計(jì)復(fù)雜度的前提下加以實(shí)現(xiàn)。在這里借鑒一些32位處理器成熟的沖突處理設(shè)計(jì)方法。考慮到設(shè)計(jì)復(fù)雜度和實(shí)際應(yīng)用比32位內(nèi)核設(shè)計(jì)簡化。 實(shí)

7、驗(yàn)測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)12個(gè)周期的8051內(nèi)核相比，在相同時(shí)鐘頻率下單周期指令運(yùn)行效率為原來的12倍；整個(gè)指令集平均運(yùn)行效率為原來8051的9.5倍，使8051兼容機(jī)系列進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列。同時(shí)能有效的解決流水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來的數(shù)據(jù)沖突和控制沖突問題。 本課題研究過程中的主要內(nèi)容涉及：對傳統(tǒng)8051體系結(jié)構(gòu)的掌握，針對實(shí)際工程需要新架構(gòu)模型的提出。合理應(yīng)用“流水”技術(shù)設(shè)計(jì)，基于8051系列微控制器運(yùn)用Verilog硬件描述語言