一款基于四級(jí)流水結(jié)構(gòu)的8位MCU芯片XD2637的設(shè)計(jì).pdf

1、MCU已經(jīng)發(fā)展了三十多年，并隨著超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，MCU的性能得到了很大的提高，集成的功能也越來(lái)越多，使其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。MCU的發(fā)展在集成電路領(lǐng)域具有重要的意義，對(duì)MCU的研究本身也具有一定的挑戰(zhàn)，本文基于一個(gè)科研項(xiàng)目的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)MCU芯片XD2637。
　　本文通過(guò)對(duì)MCU的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和流水線(xiàn)技術(shù)的深入研究與仔細(xì)分析，設(shè)計(jì)完成了一款8位的MCU。從提高系統(tǒng)性能的角度，本設(shè)計(jì)采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)、RISC指令

2、系統(tǒng)和四級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。其中，MCU的指令采用兼容PIC系列單片機(jī)14位字長(zhǎng)的35條指令集。另外，對(duì)流水結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)和控制冒險(xiǎn)均進(jìn)行了硬件消除。文章詳細(xì)說(shuō)明了AL U模塊、譯碼模塊、程序計(jì)數(shù)器控制模塊、中斷處理模塊和存儲(chǔ)器模塊的實(shí)現(xiàn)。本文使用自頂向下的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法，采用Verilog硬件描述語(yǔ)言完成了設(shè)計(jì)。電路源代碼使用Modelsim SE進(jìn)行功能仿真，完成了所有指令的驗(yàn)證，以及一些特殊功能，如中斷和間接尋址的驗(yàn)證。仿真

3、的時(shí)序正常，結(jié)果正確。并且使用Altera公司的Cyclong II系列FPGA作為硬件驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)MCU的源代碼進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。
　　本文所設(shè)計(jì)的MCU雖然采用了PIC系列單片機(jī)的指令集，但由于四級(jí)流水結(jié)構(gòu)的使用，提高了MCU的時(shí)鐘頻率及指令的吞吐量，從而提高了MCU的性能。本文所得到的研究結(jié)果對(duì)四級(jí)流水結(jié)構(gòu)MCU流水線(xiàn)冒險(xiǎn)的消除具有一定的參考價(jià)值。同時(shí)，由于本文MCU設(shè)計(jì)的靈活性，使得對(duì)MCU功能的擴(kuò)展也很方便，具有一定的繼承