高速八位RISC微控制器内核设计

【摘要】： 目前，微控制器(MCU)的应用广泛，其中又以八位微控制器的应用最为普遍。随着工业控制、仪器仪表、军工电子、信息电器和各种智能化设备中微控制器应用的扩展与深化，以MCS-51为代表的传统八位微控制器显示出一定的局限性，如频率低、处理效率不高、外部配置不灵活等。本文针对系统芯片的嵌入式应用，设计完成了一种高性能的新型八位微控制器内核，在很大程度上弥补了传统八位微控制器的不足，特别适合系统级芯片的嵌入式应用。 本文对传统的MCS-51系列单片微控制器进行了较系统而细致的分析，找出了制约其性能的关键因素。分析发现，在传统八位微控制器设计中，基于累加器的ALU结构及CISC指令体系及系统构架是影响其整体性能的主要原因。针对于此，设计了一种基于增强八位RISC构架的微控制器(MCU)内核。该MCU核采用哈佛结构、16位指令字长和8位数据字长，通过设计单周期指令、在内部设置多个快速寄存器及采用硬布线逻辑代替微程序控制的方法，加快了微处理器的速度，提高了指令的执行效率。 考虑到微控制器内核的可移植性和可复用性，整个微控制器内核采用可综合风格的Verilog HDL语言编写，并且进行了较完整的软件仿真验证和FPGA仿真验证。验证结果表明，该MCU的最高时钟频率和指令执行效率等指标均优于MCS-51的五倍以上。