基于流水线处理的RISC微控制器软核的设计

sugarbabysu

7 `; s. X7 |# r- E6 I9 t摘要：
5 V0 K2 m/ D7 U* Q0 ^4 m本文使用VHDL语言采用自顶向下(Top_down）的设计方法设计了一个8位的RISC微控制器软核。
5 W# l2 a% b/ p0 _% y3 O/ z0 \本微控制器设计了新的RISC指令集，长度为24位，其中第一字节为操作码，与MCS-51操作码的功能和助记符都相同，第二、三字节为两个操作数。该指令集可向下兼容 MCS-51的111 指令。本微控制器包含了2个16位的计时器/计数器，一个全双工串行接口，5个中断源⒉级中断优先权，高低各128字节RAM，这些模块的功能和设置与MCS-51兼容。同时新增了硬件看门狗、软件复位、寄存器直接交换数据等其他功能。为了便于嵌入式的应用，乘除法模块可选择实现，系统的时钟频率也可选择实现。内核设计了3级指令流水线，
除MOVC 指令外其他指令在没有冲突的情况下都可单周期执行。通过对流水线进行优化进一步提高了系统时钟率。采用了直连结构，特殊功能寄存器与各个模块直接相连，提高了系统的效率。
$ Z" ]# ~; @2 _' S0 i  W) m7 M6 h" x本微控制器内核在ISE 软件环境下完成了各模块的编码，使用Synplify pro8.0进行综合，使用ModelSim 6.0D进行了前、后仿真，并下载到了FPGA中进行运行。微控制器在目前的所有软硬件验证中都达到了设计的要求。
本微控制器内核与MCS-51具有良好的兼容性，指令的执行速度和效率很高，系统配置灵活，可满足嵌入式微控制器内核的要求。同时，本微控制器设计的完成可以为将来开发具有特殊用途的专用集成电路以及实现系统集成奠定坚实的基础。
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关键词微控制器，MCS-51，3级流水线，软核，RISC
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    微控制器（Micro Controller Unit),简称mcu，也叫单片机，包括中央处理器CPU (Central Processing Unit)、随机存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、中断系统、定时器/记数器以及IO(Input/Output)口电路、内部总线等主要部件。自1976年诞生以来，在工业自动化、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品及军事装备等方面获得了极为广泛的应用。
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2021-1-28 11:03 上传

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