16位微控制器的设计与实现

读取下一条指令。其流程如图5所示。

　　2．4 指令译码过程

在MCU设计过程中，首先完成对各条指令的指令分析工作，确定每个周期该做的动作，然后各部件依据指令分析表进行相关的指令译码(RAM控制器只译RAM要做的动作，ALU只译ALU要做的动作)。过程描述如下：在预取操作码时，CU单元对操作码进行译码确定指令的字节长度(nr_bytes)和指令周期数(nr_cycles)。然后CU依据指令字节长度(nr_bytes)取操作数，其他部件依据指令和当前指令周期(curcycle)执行相应的指令操作。表1为加法指令分析表，下面以加法指令的译码过程来说明整个译码流程：

1)加法指令 ADD OPl OP2(将OPl+0P2结果写入OPl中)；其目标码格式为：ADD OP2 OPl，其中OPl和OP2均为操作数地址。

2)0周期 实际指上一条指令的最后一个时钟周期，此周期codefetche取指信号有效，IPU单元将指令送入CU单元确定了指令周期和指令长度。

3)l周期 取操作数信号datafetche有效，op2(地址)进来，被送入RAM地址线，发读信号(从RAM寄存器阵列取操作数2)。

4)2周期 操作数2被取入，并存入ALU中的a寄存器；此周期取操作数信号datafetche有效，opl(地址)进来，被送入RAM地址线，发读信号。

5)3周期 操作数l被取入，并存入ALU中的b寄存器；加法器立刻进行a+b运算。

6)4周期 将加法结果放到RAM数据线上，地址线=opl，发写信号。将加法结果写回到opl中，并依据结果对PSW进行处理。

7)5周期 无动作，用于写回操作的过程。


3 验证结果

3．1 仿真验证

芯片的功能与结构设计，只是设计流程的一部分，为保证最终设计成功，必须对其全面仿真与功能验证。对MCU的测试方法如下：1)功能模块的单元测试，验证模块的功能正确性，包括接口时序等。2)系统集成测试，首先编写简单的机器码测试向量进行初步调试：然后使用编译器写汇编程序，编译成二进制机器码进行程序功能测试。在集成测试中，编写汇编测试程序，用编译器编译成机器码，在Cadenee NC下运行这些测试程序进行仿真测试。对每条指令均测试了其各种寻址方式，且测试程序自动向DEBUG寄存器写测试结果，以方便调试。经过复杂的测试和不断修正，验证结果显示MCU指令执行的正确性。

3．2 FPGA验证

使用的FPGA器件是StraTIxⅡ型号为EP1S40F780C7。综合结果显示：A8096使用3 565个LE(Logic Element)。时序分析结果：A8096可以运行在49．93 MHz的时钟频率下。A8096占用FPGA资源分布情况如图6所示。

　　
4 结论

本设计中，采用RISC技术中的硬布线控制逻辑，有利于减少MCU面积、降低功耗以及提高MCU执行效率，FPGA实现表明其只占用了3 565个LE单元，工作时钟可达50 MHz。同时该MCU具有很强的扩展性与实用性，应用领域广泛，可方便与定时器、串行通讯接口(I2C)、串行外围接口(SPI)、模数(A／D)转换器等外围功能单元组成各种嵌入式系统，完全具备实际应用价值。