8位高速微控制器IP软核的设计与实现

程序计数器和堆栈

13位的PC对8k×14bit的ROM进行寻址，八级堆栈存储的是ROM的地址，即在主程序中调用的子程序最多允许嵌套8次。当系统复位后PC从0000h地址开始执行，然后在每个指令周期q1节拍，PC自动加1。当执行GOTO指令时，就从指令中获取地址来改变PC的值，然后PC再在此基础上自动加1，顺序执行指令。当执行调用子程序指令CALL指令时，把取指的地址送到堆栈保护起来，然后PC装载子程序入口的地址，接着顺序执行子程序指令直到子程序执行完，程序返回时把堆栈中的地址装载到PC，PC继续自动加1顺序执行指令。

在每个时钟周期，PC会检测是否有来自中断处理单元的中断请求信号发生，一旦有中断响应，PC就会进入中断处理模式，把中断现场的地址送入堆栈保护起来，并在下一指令周期PC指向中断向量地址0004h，这是中断服务程序的入口地址，系统执行中断服务程序直到中断返回，再把保护在堆栈的中断现场地址加载到PC中，然后又顺序执行指令。

定时器／计数器

TIMER0为8位可读写的定时器／计数器单元，其内部有一个分频器，可以通过寄存器配置选择定时或计数工作方式，以及分频器的分频比，分频比最高可达l：128。当TIMER0从FFh到00h计数溢出时，将产生TIMER0中断。

中断处理单元

中断处理单元会响应各个中断源的中断，并向系统的控制电路发出总中断请求信号。该单元设置有8位中断控制寄存器和外设中断寄存器，使用标志位来记录各种中断请求。中断控制寄存器还包括各中断的使能控制位以及全局中断使能位。全局中断使能位将使能(置1时)所有未被屏蔽的中断，或禁止(清零时)所有中断。一旦进入中断服务程序，可通过查询中断标志位确定中断源。

双向I／O

PORTA和PORTC为2个6位双向I／O端口，每个端口有2个物理寄存器，分别是方向寄存器和数据寄存器。方向寄存器控制对应端口的输入／输出属性，数据寄存器负责锁存输入／输出数据。

MCU IP核的硬件仿真

IP软核的仿真测试是设计过程中非常重要的环节，通过自主建立的测试向量库，编写了覆盖所有指令的测试文件，对软核的多种指令、地址和数据组合进行了仿真测试，提高了软核功能仿真的测试覆盖率，保证了设计的正确性。由PORTA和PORTC的输出来验证设计正确性。部分信号波形如图3所示，在正常情况下，地址是在每个指令周期进行加1取指的；当中断信号int_req=1时，地址在下一指令周期跳到中断向量地址0004h，同时屏蔽下一条指令进入指令译码单元，用NOP指令代替。



结语

本文介绍了一个8位RISC结构的高速微控制器IP软核的设计，其指令集与PIC16F676兼容，采用模块化结构，面向硬件映射，保证可综合性。该核使用VerilogHDL为RTL级描述语言，通过了ActiveHDL仿真验证后，用Quartus II 5.0进行综合，并在Altera的EP1C12Q24C08器件上实现了布局布线。经测试，时钟频率达到了75MHz，验证了设计的正确性，为今后的设计积累了大量有益的经验。