摘要：本文在對傳統(tǒng)微控制器進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種較好的改進(jìn)設(shè)計方法?；乇芰藗鹘y(tǒng)微控制器基于累加器的ALU結(jié)構(gòu)及算術(shù)邏輯指令：并在指令執(zhí)行時序上盡量減少指令執(zhí)行所需的時鐘周期。通過仿真驗證證明該設(shè)計方法提高了指令的執(zhí)行效率和微控制器的運(yùn)行效率，同時避免了通常采用并行處理設(shè)計中多級流水線設(shè)計帶來的內(nèi)部復(fù)雜的控制邏輯設(shè)計。
關(guān)鍵字：微控制器；IP core；流水線

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，IP技術(shù)為SoC的設(shè)計提供了有效途徑，是SoC的技術(shù)支撐。當(dāng)然，在國內(nèi)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IP模塊還面臨著許多問題，如核心算法的優(yōu)化、不同層次模塊的建立、模塊的可重用問題以及IP模塊的標(biāo)準(zhǔn)化問題等。對于嵌入式處理器IP核，面對的挑戰(zhàn)就是如何選擇一個滿足其應(yīng)用需求的處理器?，F(xiàn)已有數(shù)百種嵌入式處理器，每組都具備一組不同的外設(shè)、存儲器、接口和性能特性，用戶很難做出一個合理的選擇。本文設(shè)計的微處理器的指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)完全兼容，這樣有利于開發(fā)人員的使用。

1 總體設(shè)計方案的擬定
1．1 提出改進(jìn)方案
首先在對典型八位微處理器進(jìn)行了詳盡地剖析的基礎(chǔ)上，指出在傳統(tǒng)典型微處理器內(nèi)核中制約微處理器整體性能的主要因素，然后提出以下改進(jìn)方案：
(1)微處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)上，將乘、除法單元各自獨立出來來完成算術(shù)邏輯指令中的乘、除法運(yùn)算。這樣可以回避傳統(tǒng)典型微處理器基于累加器的ALU結(jié)構(gòu)及算術(shù)邏輯指令，從而提高邏輯指令的執(zhí)行效率。
(2)在指令系統(tǒng)上，通過采用類RISC的指令系統(tǒng)和硬布線直接產(chǎn)生控制信號的方式來簡化指令譯碼器的設(shè)計。同時為內(nèi)核添加指令緩沖區(qū)、采用指令流水線技術(shù)、多管道并行執(zhí)行指令。
(3)指令時序上，設(shè)計中盡量減少指令執(zhí)行所需的時鐘周期，提高微處理器的運(yùn)行效率。
1．2 總體設(shè)計思路
根據(jù)IP core通用的設(shè)計方法，本文采用了標(biāo)準(zhǔn)的自頂向下的設(shè)計方法。就是根據(jù)系統(tǒng)級的內(nèi)容，把系統(tǒng)劃分為單元，然后再把每個單元劃分為下一層次的單元，這樣一直劃分下去，直到最底層的單元可以用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示；接著在完成各個模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)級設(shè)計；然后進(jìn)行整個系統(tǒng)的仿真驗證；最后選用特定的FPGA芯片進(jìn)行綜合、布局布線以及功能后仿真。

2 各子模塊的設(shè)計
2．1 ALU模塊
算術(shù)邏輯單元(ALU)是微控制器的核心部件，ALU的設(shè)計依賴于指令系統(tǒng)，ALU采用什么樣的結(jié)構(gòu)、設(shè)置那些功能都是建立在對系統(tǒng)指令集分析的基礎(chǔ)上來完成。
根據(jù)算術(shù)運(yùn)算類指令可知，ALU單元主要要完成的功能有：帶／不帶進(jìn)位加／減法、乘法、除法、十進(jìn)制調(diào)整、邏輯運(yùn)算以及布爾操作的實現(xiàn)。整個操作的完成是通過多路選擇器控制來完成。因此，我們可以對整個ALU系統(tǒng)進(jìn)行如圖2劃分，然后對各個子模塊進(jìn)行設(shè)計。

2．2 控制通路的設(shè)計
本文中的控制通路由譯碼器模塊和控制器模塊兩部分組成。這部分的設(shè)計是在對指令系統(tǒng)進(jìn)行正確分析的基礎(chǔ)上來完成。
設(shè)計控制通路有兩種主要的方法。微程序控制(或微序列控制)方式使用存儲器查表方式來輸出控制信號，而硬連線控制使用時序邏輯和組合邏輯來產(chǎn)生控制信號。硬件直接實現(xiàn)的控制單元一般用有限狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)，通常有較高的運(yùn)算速度；但是通用性差，每個電路都必須專門設(shè)計控制單元。每一種方法都有一些變形形式。由于本文中微處理器的控制相對簡單，所以在設(shè)計中采用了硬連線控制方法。