8位高速微控制器IP软核的设计与实现

随着集成电路设计的不断发展，集成电路的规模越来越大，设计难度日趋复杂，传统的设计方法已越不能适应集成电路设计发展的需要。基于IP复用的数字IC设计方法是有效提高IC设计产能的关键技术，有助于快速实现工艺先进、功能强大的产品。

微控制器MCU是嵌入式系统的核心，8位MCU IP核具有很高的通用性和灵活性，广泛地应用于工业控制、机械设备、家用电器以及汽车电子等各个领域。本文介绍的是基于 RISC体系结构的8位高速MCUIP软核的设计与实现，采用Verilog HDL自上而下地描述了MCUIP软核的硬件结构，并验证了设计的可行性和正确性。在实际硬件电路中，该IP核的运行频率达到75MHz，可应用于高速控制领域。

系统结构设计

本设计的总线采用了哈佛结构，14位指令字长，8位数据字长，指令集与PIC16F676兼容。它具有35条指令，在连续工作的情况下，除了程序跳转指令要用2个指令周期外，其它的所有指令都可以在1个指令周期内完成。由于哈佛结构总线具有独立的指令总线和数据总线，可同时从程序存储器和数据存储器中分别读取数据，大大提高了MCU内部执行的并行性，简化了控制电路的设计。与更深级流水线相比，简单的指令周期避免了深度流水线增加电路结构复杂性和芯片面积。

该微处理器在结构上可以划分为四个子系统，分别为控制单元、数据通道、存储单元、I／O单元。其中数据通道包含ALU和一个W工作寄存器。片内程序存储器ROM的容量是8k×14位；数据存储器由包括专用寄存器在内的256个可寻址的8位寄存器组成，通过数据总线与算术逻辑单元ALU相连，系统可以对数据存储器用直接或间接寻址方式进行访问。I／O单元提供了系统内部的数据总线与外界总线的连接接口，实现数据的输入／输出。控制单元则会根据指令产生相应的指示信号控制系统的协调运行。系统结构如图1所示。




MCU IP核的时序设计

时钟网络的时序设计

本设计的时序设计部分采用内部包含4个节拍时钟的结构，时钟网络模块在复位结束后会利用两级嵌套的D触发器将外部时钟(CLK)分频产生4个非重叠正交的节拍时钟信号q1、q2、q3、q4，一个指令周期分为4个状态。节拍时钟会与译码电路产生的控制信号配合，在不同时钟节拍选通不同的电路操作，进而协调整个系统的运行。

二级流水线时序设计

本设计所采用的二级流水线划分为取指和执行两级。系统运行时，会在前一指令周期的q4节拍从ROM中取出下一条待执行的指令并锁存在指令寄存器中，在下一指令周期的q1节拍从指令寄存器中取出指令，同时程序计数器(PC)加1，q2到q4对所取指令进行译码和执行。因此，一条指令的完整执行过程大概分为取指令、指令锁存、指令译码、取操作数、执行、回写、PC+1等7个步骤。从时序上看，指令取指周期与执行周期是并行执行的，即在取指的同时，上一条指令正在进入执行周期。

程序跳转指令与其它单周期指令一样进入流水线，在执行程序跳转指令时，屏蔽下一条指令进入指令译码单元，用空操作指令NOP代替。这样，控制逻辑不需要做太大修改就能满足流水线的执行。二级指令流水线操作过程如图2所示。



MCU IP核的内部电路实现

指令寄存器

指令寄存器(IR)是为了实现两级指令流水线而设计的。如果没有指令寄存器，那么取指和执行就分别需要占用一个指令周期。但如果利用IR，在上条指令执行的同时把下一条指令从程序存储器ROM中取出来寄存在IR中，这样在每个指令周期内同时有指令的取出和执行，等效来看，一条指令只需要一个指令周期就可以执行完毕，从而提高了效率。

指令寄存器IR的另外一个功能是当执行分支指令的时候产生空操作，这是采用指令流水线结构所必需的。例如在执行程序跳转指令GOTO的时候，由于GOTO指令会改变程序计数器PC的值，跳转到另外的地址，那么在执行GOTO指令时取得的紧接GOTO的下一条指令就不是要执行的下一条指令，这个已经取得的指令就必须被屏蔽。具体的操作是在执行GOTO指令的时候，指令译码单元产生清零信号使得指令寄存器内部14位寄存单元被清零，那么下一指令周期的输出就变为NOP指令。在执行该空操作的同时把GOTO指令跳转后指向地址对应的指令取出来，在下个指令周期执行。

指令译码单元

指令译码单元在每个时钟周期的q1节拍接收来自IR的14位执行指令，并对指令进行译码工作，给出其它各单元的操作控制信号，包括算术逻辑单元(ALU)的运算控制信号、RAM的读写控制、总线控制器的选择信号、PC寻址等。

算术逻辑单元

算术逻辑单元(ALU)是微控制器运算电路的核心部分，主要功能是按照指令译码器输出的控制信号，实现算术运算、逻辑运算、循环移位等操作。ALU的字宽是8位，在ALU中做运算的2个操作数分别来自W寄存器和数据总线，最后运算的结果由指令译码后的控制信号决定是存放在W寄存器中，还是通用寄存器RAM中。本文通过将加、减操作复用到一个8位超前进位加法器，大大缩短了ALU算术运算的时间，进而提高了整个系统的运行速度。