隨著信息技術的發(fā)展，網絡通信、信息安全和信息家電產品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產品中必不可少的部件。目前國內一些科研院校和半導體公司都在致力于研發(fā)自主設計的嵌入式微控制器，這對我國的半導體產業(yè)、電子產品產業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
這里描述了一款自主研發(fā)的16位嵌入式微控制器(A8096)的設計與實現，基于RTL級設計方法使用VerilogHDL進行設計描述，在設計中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時MCU兼容了MSC-96指令集，目標是可以應用于實際嵌入式系統(tǒng)項目中。
1 總體設計
1．1 MSC-96體系結構
圖1所示為MSC-96體系結構。Intel 8096微控制器是由通用寄存器陣列、算術邏輯單元(RALU)和微程序控制器等模塊組成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一個片內ROM存儲器，因而會造成面積和功耗都會較大。
MCU內部的寄存器陣列通過一個控制器和2條總線與RALU相連。這兩條總線是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU與寄存器之間的數據傳輸，而A-BUS用作上述傳輸過程中的地址總線。當MCU通過寄存器控制器訪問片內外寄存器時，A-BUS可作為多路轉換的地址／數據總線。
1．2 A8096總體結構
為了減少面積和功耗，A8096采用硬布線邏輯控制方式取代上述的微程序控制器。依據MSC-96的體系結構，A8096主要功能模塊包括：IPU(Instruction Pre-fetch Unit。指令預取單元)、CU(Control Unit，控制單元)、ALU(Arithmetic Logical Unit，算術邏輯單元)、MEM_C-TRL(MEM控制器)、RF_CTRL(寄存器堆控制器)、ISR(Interrupt Service Routine unit，中斷服務單元)、GPIO(General Purpose Input Out-put，通用輸入輸出單元)等主要功能部件。其結構如圖2所示。
1．3 系統(tǒng)總線
A8096采用3條總線：一條是MEM總線，用于IPU和MEM CTRL對程序空間和數據空間的讀寫控制；16 bit的數據線，16 bit的地址線，讀寫信號memrd／memwr；一條是內部寄存器陣列(Register File)總線，用于RF_CTRL對內部寄存器陣列的讀寫訪問，地址線是8 bit的，數據線為16 bit，讀寫信號為rf_rd／rf_wr；一條是SFR總線，用于訪問數據空間地址在00H～19H的特殊定義的寄存器空間。8 bit的地址總線，16bit的數據總線，讀寫信號sfrrd／sfrwr。另外IPU和MEMCTR的數據交互是通過8 bit的數據線instr_bus完成的，其作用是從預取指令隊列中將指令傳給CU單元等。
2 MCU設計與實現
2．1 MCU工作原理
A8096通過IPU(指令預取單元)指令預取，并存放在預取指令隊列中，CU(控制單元)從IPU指令隊列中取指并進行譯碼，產生控制時序等信號。ALU單元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有譯碼模塊，依據當前指令和當前指令周期主動工作。如：RAM控制器在加法指令的相應周期取操作數送往ALU單元，ALU在相應周期接收數據，然后進行運算并將結果輸出。
2．2 MCU啟動過程
在上電復位時，MCU處于復位態(tài)(rst信號有效)。復位時，IPU單元中的指令隊列清空(empty信號有效)，總線處于空閑態(tài)，IPU立刻進行指令預取動作，程序空間的首地址(2080H)指令即被取人指令隊列，隨后隊列空信號(empty)無效，同時指令被發(fā)送出去(instr_bus)。在復位同時，控制單元(CU)的取指信號(codefetche)即一直有效，在指令隊列空信號empty無效后(在empty無效之前CU一直等待)，指令即通過instr_ bus進入了CU，指令操作碼被存入了指令寄存器，如圖3中instr寄存器更新為加法指令的操作碼74。至此，MCU完成了復位、自動取指操作，并開始往下執(zhí)行該指令，IPU單元也會繼續(xù)進行指令預取操作。
2．3 指令執(zhí)行過程
在A8096中，有兩級指令預取概念：一級是指令預單元IPU利用總線空閑從程序空間不斷預取指令存入指令隊列中；一級則是指令執(zhí)行過程中的指令預取，當一條指令執(zhí)行到最后一個時鐘周期時，CU單元就會發(fā)送取指信號，進行指令執(zhí)行級的預取指動作，下一條指令的操作碼即被預取出來(指令隊列為空時需等待)，并立刻進行譯碼確定指令的字節(jié)長度和指令執(zhí)行周期數。
如圖4所示，在加法指令的最后一個周期(cycle=05)，CU單元取指信號codefetche有效，則下一條指令的操作碼(6C，乘法操作碼)被預取出來，同時進行查表譯碼確定其指令字節(jié)長度和指令周期數，隨后操作碼被存入指令寄存器instr中(此時，指令周期計數器cycle又從01開始計數)。后面乘法指令的操作數也會不斷被取進來執(zhí)行，直到乘法指令最后一個周期時，又將下一條指令的操作碼預取進來。
需要說明：codefetche為取操作碼信號，datafetche為取操作數信號。在指令最后一個周期時若有中斷請求，則插入LCALL指令進行中斷處理，讀取下一條指令。其流程如圖5所示。
2．4 指令譯碼過程
在MCU設計過程中，首先完成對各條指令的指令分析工作，確定每個周期該做的動作，然后各部件依據指令分析表進行相關的指令譯碼(RAM控制器只譯RAM要做的動作，ALU只譯ALU要做的動作)。過程描述如下：在預取操作碼時，CU單元對操作碼進行譯碼確定指令的字節(jié)長度(nr_bytes)和指令周期數(nr_cycles)。然后CU依據指令字節(jié)長度(nr_bytes)取操作數，其他部件依據指令和當前指令周期(curcycle)執(zhí)行相應的指令操作。表1為加法指令分析表，下面以加法指令的譯碼過程來說明整個譯碼流程：
1)加法指令 ADD OPl OP2(將OPl+0P2結果寫入OPl中)；其目標碼格式為：ADD OP2 OPl，其中OPl和OP2均為操作數地址。
2)0周期 實際指上一條指令的最后一個時鐘周期，此周期codefetche取指信號有效，IPU單元將指令送入CU單元確定了指令周期和指令長度。
3)l周期 取操作數信號datafetche有效，op2(地址)進來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號(從RAM寄存器陣列取操作數2)。
4)2周期 操作數2被取入，并存入ALU中的a寄存器；此周期取操作數信號datafetche有效，opl(地址)進來，被送入RAM地址線，發(fā)讀信號。
5)3周期 操作數l被取入，并存入ALU中的b寄存器；加法器立刻進行a+b運算。
6)4周期 將加法結果放到RAM數據線上，地址線=opl，發(fā)寫信號。將加法結果寫回到opl中，并依據結果對PSW進行處理。
7)5周期 無動作，用于寫回操作的過程。
3 驗證結果
3．1 仿真驗證
芯片的功能與結構設計，只是設計流程的一部分，為保證最終設計成功，必須對其全面仿真與功能驗證。對MCU的測試方法如下：1)功能模塊的單元測試，驗證模塊的功能正確性，包括接口時序等。2)系統(tǒng)集成測試，首先編寫簡單的機器碼測試向量進行初步調試：然后使用編譯器寫匯編程序，編譯成二進制機器碼進行程序功能測試。在集成測試中，編寫匯編測試程序，用編譯器編譯成機器碼，在Cadenee NC下運行這些測試程序進行仿真測試。對每條指令均測試了其各種尋址方式，且測試程序自動向DEBUG寄存器寫測試結果，以方便調試。經過復雜的測試和不斷修正，驗證結果顯示MCU指令執(zhí)行的正確性。
3．2 FPGA驗證
使用的FPGA器件是StratixⅡ型號為EP1S40F780C7。綜合結果顯示：A8096使用3 565個LE(Logic Element)。時序分析結果：A8096可以運行在49．93 MHz的時鐘頻率下。A8096占用FPGA資源分布情況如圖6所示。
4 結論
本設計中，采用RISC技術中的硬布線控制邏輯，有利于減少MCU面積、降低功耗以及提高MCU執(zhí)行效率，FPGA實現表明其只占用了3 565個LE單元，工作時鐘可達50 MHz。同時該MCU具有很強的擴展性與實用性，應用領域廣泛，可方便與定時器、串行通訊接口(I2C)、串行外圍接口(SPI)、模數(A／D)轉換器等外圍功能單元組成各種嵌入式系統(tǒng)，完全具備實際應用價值。
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