8位微控制器體系結(jié)構(gòu)有何特征?微控制器設(shè)計原則介紹

微控制器使用較多，目前市場上也存在諸多微控制器產(chǎn)品。為增進(jìn)大家對微控制器的認(rèn)識，本文將對8位微控制器的體系結(jié)構(gòu)特征以及8位微控制器的設(shè)計原則加以介紹。如果你對本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、8位微控制器設(shè)計趨勢

對于不同的微控制器(MCU)產(chǎn)品應(yīng)用，不僅需要考慮不同廠家MCU的性價比，而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應(yīng)用特點。針對不斷涌現(xiàn)出來的新的智能化電子產(chǎn)品，人們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的MCU新產(chǎn)品。不同廠家的MCU產(chǎn)品其指令集各不相同，特別是指令集系統(tǒng)架構(gòu)的不同，如市場上廣泛應(yīng)用的MCS51系列和PIC系列微控制器則分別采用CISC指令系統(tǒng)和RISC指令系統(tǒng)。

微控制器按照指令系統(tǒng)可以分為CISC、RISC、類RISC(RISC-LIKE)等幾種。傳統(tǒng)的MCS51控制器屬于CISC型，其代碼密度高，但大多數(shù)指令需要多個時鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點。RISC和類RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來的硬布線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)。簡單的指令集可以用硬布線進(jìn)行指令譯碼，而不需要用微碼控制的方式，提高了譯碼的效率。流水線結(jié)構(gòu)將指令分成幾步完成，在流水線填滿工作時，每條指令的平均執(zhí)行時間(CPI)在1個時鐘周期左右。一般來說，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同時更容易設(shè)計和糾錯。

因此，目前對8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和研究設(shè)計主要是以兼容市場上已被客戶廣泛采用的產(chǎn)品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應(yīng)市場競爭和技術(shù)發(fā)展。對于原先為CISC指令系統(tǒng)的微控制器產(chǎn)品，在層出不窮的更新系列中已經(jīng)漸漸的融合進(jìn)了RISC思想;對于采用RISC指令系統(tǒng)的微控制器來說，更多的做法仍然是針對高性能低功耗的需求對其整個體系架構(gòu)不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)最為多見。本文正是在這種形勢下提出的，主要討論RISC體系架構(gòu)的8位微控制器產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)。

二、RISC微處理器的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計原則

雖然現(xiàn)在業(yè)界對RISC 處理器應(yīng)該具有什么特征還有不同的看法，但是各種RISC結(jié)構(gòu)都有一些共性：(1)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成以便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)流水化;(2)采用獨立且簡單的裝載/存儲結(jié)構(gòu);(3)指令解碼通常都是硬連線實現(xiàn)而不是微解碼，以便加快執(zhí)行速度;(4)多數(shù)指令具有固定格式，以簡化指令編碼和譯碼;(5)較小的指令集和少數(shù)幾種尋址模式;(6)數(shù)據(jù)通道流水線化，使處理過程高度并行;(7)采用大容量高速寄存器堆(或稱為寄存器文件)，盡量避免與速度較低的系統(tǒng)RAM交換數(shù)據(jù)。盡量將運算數(shù)據(jù)存放在寄存器中，從而減少訪問內(nèi)存的次數(shù)。根據(jù)以上的討論，下文重點從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對8位RISC微控制器在設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。

三、關(guān)鍵技術(shù)

3.1 RISC指令集的選取

控制器系統(tǒng)的使用跟軟件編程與硬件設(shè)計之間的規(guī)格接口密切相關(guān)，這個接口就是微控制器的指令集。指令體系結(jié)構(gòu)(ISA)是進(jìn)行微處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計的前提。指令集必須完備，使所有可計算的功能都在合理的程序空間內(nèi)得以實現(xiàn);而且指令集又必須是高效的，以便使常用的功能可以用相對少的指令實現(xiàn)。因此，提供給應(yīng)用軟件開發(fā)的微控制器系統(tǒng)必須有一個完備而高效的指令集。

指令集直接決定微控制器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，同時也是用戶程序編譯生成目標(biāo)代碼的依據(jù)。指令集的最終確定與整個系統(tǒng)所需的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器變量及存儲器尋址方式密切相關(guān)且相互制約。各個部件乃至具體的字節(jié)都應(yīng)該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對各個部件或字節(jié)進(jìn)行辨認(rèn)操作。因此也就有了相應(yīng)的一系列針對不同產(chǎn)品的不同措施： 1)從所需要的地址長度和相應(yīng)增加的寄存器來權(quán)衡指令的長度;2)對指令進(jìn)行分類并分別確定各類的指令字節(jié)格式，以簡化操作控制信號的譯碼邏輯;3)增加相應(yīng)的寄存器以彌補指令字節(jié)長度的不足;4)指令字節(jié)格式分配應(yīng)考慮到相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及對應(yīng)的尋址方式;5)存儲器、寄存器、I/O口是否統(tǒng)一尋址。以上所列舉的并不詳盡也無先后順序之分，應(yīng)該同時進(jìn)行分析。相應(yīng)的措施所對應(yīng)的性能、功耗、設(shè)計復(fù)雜度各不一樣，應(yīng)統(tǒng)一考慮。

對ISA進(jìn)行功耗分析應(yīng)該從指令代碼容量和指令執(zhí)行效率兩方面考慮。指令集大小、寄存器變量、存儲器尋址方式、流水線結(jié)構(gòu)等技術(shù)的選定都和指令代碼密度有緊密聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，在RISC的精簡指令集中適當(dāng)增加一些特定的復(fù)雜指令不失為提高代碼密度、保證處理器高性能、低功耗的可行方法。因此能夠產(chǎn)生高指令代碼密度的指令集無疑是RISC低功耗設(shè)計的首選。

3.2 具有共享區(qū)的寄存器堆的分頁設(shè)計

RISC設(shè)計思想的最主要特點是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器---寄存器操作的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，加快了速度，而且還簡化了指令控制邏輯，縮小了硬布線邏輯構(gòu)成的控制部件的芯片面積。

在指令中固定寄存器地址的位數(shù)必然限制寄存器的數(shù)量，但是引入高端處理器的分段、分頁的設(shè)計思想就可以擴(kuò)展尋址的范圍。分段、分頁的設(shè)計思想的根本出發(fā)點在于將存儲器的線性地址分解成二維或多維地址;在指令中只表達(dá)最低維地址，而使用其它設(shè)施(如段號寄存器、頁號寄存器)用來存放高維地址。一般將寄存器堆分成若干個頁，每個頁有固定的大小，在指令中只使用寄存器的頁內(nèi)地址。在系統(tǒng)專用寄存器中設(shè)置一個頁號寄存器，通過改變其內(nèi)容來切換對不同頁寄存器的訪問。

為克服單純分頁機(jī)制中的各種缺陷，通常采用具有共享區(qū)的分頁設(shè)計，這樣不僅減少了指令中寄存器邏輯地址的位數(shù)，而且在任何時候都能夠訪問系統(tǒng)寄存器，同時便于不同頁寄存器之間通過共享區(qū)中的通用寄存器交換信息。當(dāng)然還得有相應(yīng)的邏輯地址到物理地址的映射的方法措施。

3.3 程序空間的分頁設(shè)計

由于和寄存器堆同樣的原因，在指令中若采用完整的程序空間地址，也會局限程序空間的大小，所以對程序空間通常也采用了分頁的設(shè)計思想，同時在不同頁內(nèi)設(shè)置了公共程序區(qū)(若指令長度完全符合程序空間地址的要求，則無需此思想)，其設(shè)計思想類同于具有共享區(qū)的寄存器分頁設(shè)計，在此不再贅述。唯一與寄存器公共區(qū)不同的是：程序公共區(qū)是為程序在不同頁之間跳轉(zhuǎn)提供平臺。

3.4 流水線技術(shù)

流水線設(shè)計與8位RISC微控制器體系架構(gòu)密不可分，是整個系統(tǒng)的設(shè)計核心，它的選用優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的性能和功耗。

流水線技術(shù)能最大限度地利用了微控制器資源，使每個部件在每個時鐘周期都工作，大大提高了效率，但由于流水線的各個段之間存在很強(qiáng)的依賴關(guān)系。如果處理不當(dāng)，指令的運行將達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果，因此必須熟知流水線的相關(guān)和轉(zhuǎn)移問題。其一為資源沖突， 即同一時間內(nèi)爭用同一功能部件， 一般為同時訪問存儲器， 這就需要停頓一拍流水線; 其二為數(shù)據(jù)相關(guān)沖突， 有三種類型： RAW、WAR、WAW ， 解決該沖突使用內(nèi)部直通結(jié)構(gòu)或者延遲一拍流水線; 其三為控制轉(zhuǎn)移沖突， 即對于條件跳轉(zhuǎn)指令， 根據(jù)運算結(jié)果判斷是否跳轉(zhuǎn)， 才能確定新的PC值，運算結(jié)果是在執(zhí)行階段后獲得， 這使流水線喪失很多的性能， 一般采用增加硬件預(yù)先獲得運算結(jié)果解決該沖突。

越是長的流水線，相關(guān)和轉(zhuǎn)移兩大問題也越嚴(yán)重：一方面導(dǎo)致硬件控制電路復(fù)雜程度大大增加， 另一方面， 由于流水線節(jié)拍的停頓， 導(dǎo)致CPI值的增大及系統(tǒng)性能的下降。所以，流水線并不是越長越好，找到一個速度與效率的平衡點才是最重要的。

在8位RISC微控制器的流水線設(shè)計中，存在很多種方案。不同方案所對應(yīng)的面積、速度與功耗各不相同。具體的選用則應(yīng)該從多個方面融合考慮。首先應(yīng)該由系統(tǒng)的工作速率要求和流水線級數(shù)、深度推導(dǎo)出多種具體的流水線結(jié)構(gòu)方案及其所需要的嚴(yán)格時序;然后從系統(tǒng)的功耗、面積、性能及由流水線相關(guān)和轉(zhuǎn)移問題引起的設(shè)計復(fù)雜度等方面考慮出發(fā)，判斷各方案的優(yōu)劣;最后折衷選擇符合的最優(yōu)方案。

3.5 低功耗技術(shù)

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路進(jìn)入深亞微米階段，微處理器的時鐘頻率和芯片集成度不斷提高，功耗已在很多設(shè)計領(lǐng)域成為了首要關(guān)注的問題，這點最為突出的即是高性能微處理器和便攜電子設(shè)備產(chǎn)品。

在根據(jù)系統(tǒng)功能說明進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計、確定指令體系結(jié)構(gòu)時，不同的設(shè)計出發(fā)點所導(dǎo)致的設(shè)計功耗結(jié)果差別會很大。因此整個體系架構(gòu)的確定無疑是低功耗問題應(yīng)該考慮的首要問題，主要體現(xiàn)以下幾個方面：1)盡可能根據(jù)功能需求優(yōu)化指令集，簡化系統(tǒng)的譯碼單元和執(zhí)行單元;2)通過開發(fā)硬件的并行性以及功能單元的流水執(zhí)行來實現(xiàn)低功耗的結(jié)構(gòu);3)合理設(shè)置確定存儲器、寄存器的容量，減少所需的總線數(shù)目;4)系統(tǒng)硬件的各個子模塊劃分以及軟件上設(shè)置不同的工作狀態(tài)對功耗的優(yōu)化非常重要。

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