摘要
摘要
随着大规模集成电路的迅速发展，ＳＯＣ（片上系统）的设计方法也逐渐普及。这对嵌入式ＭＣＵ的性能提出了更高的要求。８０Ｃ５１是一款非常经典的８位ＭＣＵ，至今仍得到广泛的应用，但它较低的指令执行速度大大限制了在高速控制中的应用。流水线的设计方法对提高系统工作速度是非常有效的。本文提出了一种基于流水线结构并且与８０Ｃ５１指令兼容的ＭＣＵ。 本文主要对如何在复杂指令集ＭＣＵ中采用流水线结构作了研究，主要工作内容包括以下几个方面：
碟片播放机１）根据流水线工作方式的基本原理，对５１指令集进行了分析，提出了３级流水线的方案：取指，译码和执行。 ２）根据３级流水线对ＭＣＵ结构进行划分并提出实现方法。译码模块采用了微程序的译码方式。指令的执行过程实际上是数据在数据通道的流动过程，详细探讨了数据通道的建立和主要指令执行过程中数据流动的路径。
３）对ＡＬＵ单元做了全新的设计。和８０Ｃ５１有很大不同的是ＡＬＵ中取消了两个输入暂存器以加快数据传输速度，ＡＬＵ的输入操作数直接从寄存器取出：ＡＬＵ的输出扩展大１６位以便于在执行控
制转移类指令时可以直接将计算得到的程序转移地址传送给程序计数器；在ＡＬＵ中还使用了超前进位加法器和阵列乘法器来提高运算速度。咖啡加工
４）采用自顶向下的设计方法，用Ｖｅｒｉｌｏｇ建立了ＭＣＵ的寄存器传输级模型，经过综合编译后下载到ＦＰＧＡ上进行了模拟。分析了综合后的时序和面积结果。
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根据软件仿真和ＦＰＧＡ模拟的结果证实，本文设计的ＭＣＵ在指令平均执行速度上比传统８０Ｃ５１提高了７倍。
关键词：复杂指令集；流水线；数据通道；超前进位加法器
兰壹堡：．兰查兰堡主主竺笙苎
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＶＬＳＩ（Ｖｅｒｙ
ｌａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ），ＳＯＣ（ＳｙｓｔｅｍＯｎＣｈｉｐ）ｂｅｃｏｍｅｓａｐｏｐｕｌａｒｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｓｉｇｎ．ＩｔｎｅｅｄｓｔｈｅｆａｓｔｅｒＥｍｂｅｄｄｅｄＭＣＵ（ＭｉｃｒｏｐｒｏｇｒａｍｍｅｄＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）ｔｏｒｅａｌ青梅1H
ｉｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．８０Ｃ５１ｉｓａｃｌａｓｓｉｃ８－ｂｉｔＭＣＵｔｈａｔｉｓｓｔｉｌｌａｐｐｌｉｅｄｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｔｏｄａｙ，ｂｕｔｉｔｈａｓｌｏｗｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｘｅｃｕｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｔｈａｔｌｉｍｉｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｋｎｏｗｎｔＯｈａｖｅｔｈｅｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｓｐｅｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒｉｓｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｗｉｔｈ８０Ｃ５１＿
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１）Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｔｏｆ
８０Ｃ５１ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄａ３－ｓｔａｇｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｉｐｅｌｉｎｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｓｆｏｌｌｏｗ：ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｅｔｃｈ（ＩＦ），ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｃｏｄｅ（ＩＤ）ａｎｄｅｘｅｃｕｔｉｏｎ（ＥＸ）．
２１ＷｅｄｉｖｉｄｅｄｔｈｅＭＣＵｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｏｔｈｒｅｅｍｏｄｕｌｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｅａｃｈｍｏｄｕｌｅ’Ｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｍｉｃｒｏ—ｐｒｏｇｒａｍｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｃｏｄｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｘｅｃｕｔｉｏｎｉｓａｃｔｕａｌｌｙｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｄａｔａｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈｄａｔａｐａｔｈ．Ｗｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｈｏｗｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｏｆｄａｔａｐａｔｈａｎｄｄｅｐｉｃｔｅｄｔｈｅｍａｉｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ’ｄａｔａｆｌｏｗｉｎｄｅｔａｉｌ．
３）ＷｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｅｗＡＬＵａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｄａｔａｐａｔｈ．ＴｈｅｔｗｏｔｅｍｐｏｒａｒｙｉｎｐｕｔｒｅｇｉｓｔｅｒｓｏｆＡＬＵａｒｅｏｍｉｔｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔＯｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄａｔａｐａｔｈｄｅｌａｙ．ＴｈｅｏｐｅｒａｎｄｓｏｆＡＬＵａｒｅｆｅｔｃｈｅｄｆｒｏｍｄａｔａｐａｔｈｄｉｒｅｃｔｌｙ．ＴｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆＡＬＵｅｘｐａｎｄｔｏ１６ｂｉｔｓｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｎｅｗｐｒｏｇｒａｍｐｏｉｎｔｅｒｔＯＩＦｍｏｄｕｌｅｄｉｒｅｃｔｌｙｗｈｅｎｅｘｅｃｕｔｉｎｇｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｂｒａｎｃｈｉｎｇｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ．ＴｈｅＣａｒｒｙＬｏｏｋａｈｅａｄＡｄｄｅｒａｎｄＡｒｒａｙＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔＯｇｅｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
４）Ｗｅｕｓｅｄｔｏｐ—ｄｏｗｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅＭＣＵｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｗｉｔｈｖｅｒｉｌｏｇｉｎＲＴＬｌｅｖｅｌａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈＦＰＧＡ（ＡＰＥＸ２０ｋ２００ＡＬＴＥＲＡ）．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｔｉｍｉｎｇａｎｄａｒｅａｏｆｓｙｎｔｈｅｓｉｓｒｅｓｕｌｔ．
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ＴｈｅＭＣＵｄｅｓｉｇｎｉｓ７ｔｉｍｅｓｆａｓｔｅｒｔｈａｎ８０Ｃ５１ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄＦＰＧＡ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＩＳＣ：Ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ＤａｔａＰａｔｈ；ＣａｒｒｙＬｏｏｋａｈｅａｄＡｄｄｅｒ（ＣＬＡ）
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华南理工大学
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作者签名：８ｌ胡日期：２００４５月３１日
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保密口，在——年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密回。
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作者签名：导师签名：穹则
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１
日期：矿吖年６月何日
石月Ⅳ日
第一章绪论
第一章绪论
１．１ＭＯＵ的发展状况
ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏｐｒｏｇｒａｍｍｅｄＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ，微处理器）的出现的初衷是面向工业控制，出于它集成度高，功能强，体积小、功耗低、使用灵活方便和价格低廉等一系列优点，目前它已经广泛应用于国民经济建设和国防现代化建设中。民用方面可用于消费类电子产品、工业过程控制、智能化仪表、家用电器、汽车电器和环境监测等；军用方面可用子卫星、导弹、飞机、舰艇、声纳、坦克、高炮、雷达等控制系统和军用通讯等．总之，ＭＣＵ应用干各个领域及各个行业。“没用电脑的产品，不是真『Ｆ的产品”，这是同本工程界的一句名言，也是同本电子产品风靡世
界的一个真实写照…。我国应用ＭＣＵ技术的发展也很快，尤其是１９８８年以后，８位ＭＣＵ应用于各个行业，并取得很大成功。１９９１年开始采用１６位ＭＣＵ，如８０９８、８０９６等用量也在不断增加。
１９７１年美国ＩＮＴＥＬ公司推出４位微处理器４００４，尔后很快相继推出了多种４位ＭＣＵ，但功能简单，仅适合干家用电器等简易控制之用。１９７６年９月ＩＮＴＥＬ公司又推出了８０４８（ＭＣＳ－－４８系列）ＭＣＵ，属于低档８位ＭＣＵ，不带串行Ｉ／ｏ口，寻址范围在４ＫＢ以内，片内ＲＡＭ、ＲＯＭ容量也不大，只适用于简易的工业控制和早期智能化仪表。１９７８年ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司推出了６８０ｌ，Ｚｉｌｏｇ公司推出了２８０，均属于高档８位ＭＣＵ，内含串行口，寻址范围６４ＫＢ，有多个１６位定时器／计数器、多级中断源、较大容量的ＲＡＮＩ和ＲＯＡＩ。１９８０年ＩＮＴＥＬ公司推出了比ＭＣＳ－－４８系列功能更为优越的８位ＭＣＵ－－８０５１（ＭＣＳ一５１系列）。１９８２年ＭＯＳＴＥＫ公司率先宣布了第一个１６位ＭＣＵ６８２００。１９８３年ＩＮＴＥＬ公司又推出了ＣＭＯＳ型８０Ｃ５ｌ、１６位ＭＣＵ－－８０９６（ＭＣＳ一９６系列）。１９８７年ＩＮＴＥＬ推出了性能高于８０８６两倍的ＣＭＯＳ型８０Ｃ１９６１６位ＭＣＵ。１９８８年又推出了带ＥＰＲＯＭ的８７Ｃ１９６１６位ＭＣＵ。１９８９年ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司推出了准３２位ＭＣＵ６８３００。１９９０年该公司才推出了１６位ＭＣＵ一一６８ＨＣｌ６，ＩＮＴＥＬ公司推出了准３２位ＭＣＵ一８０９６０。１９９１年ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司
稀疏编码推出了３２位ＭＣＵ—ＭＣ６８３３１ＦＣ，ＩＮＴＥＬ公司推出了采用了ＲＩＳＣ技术设计的１６位ＭｃＵ一一Ａ８０９６０ＫＡ和３２位Ｍｃｕ一一ＴＡ８０９６０ＫＢ。１９９２年以后世界上众多的公司先后推出了采用ＲＩＳＣ技术设计的３２位ＭＣＵ、６４位ＭＣＵ，这表明ＲＩＳＣ技术在ＭＣＵ设计中得到长足的发展…［４１。随着现在大规模集成电路设计技术的成熟，ＭＣＵ也在向ＳｏＣ方向发展。１，按系统要求不断扩展外围功能、外围接口以及系统要求的模拟、数字混合集成。例如，ＡＤＩ公司引入８０５１内核后配置自己的优势产品一信号调理电路，构成
华南理工大学硕士学位论文
了用于数据采集的ＳｏＣ；Ｃｙｇｎａｌ公司则为８０５１配置了全面的系统驱动控制、前向／后向通道接口，构成了较全面的通用型ＳｏＣ”１。
尽管ＭＣＵ的设计的技术在不断的发展，处理能力越来越强，从４位到８位，再至ｑ１６位、３２位，甚至出现了６４位机，但有一个现象却十分有趣，８位ＭＣＵ在经历了三十多年的风风雨雨后，却依然显示出强大而旺盛的生命力，其市场占有率一直高居榜首。
表１一ｌ１９９１～２０００全球微器件市场发展（单位：亿美元）
Ｔａｂｌｅｌ—ｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｌｏｂａｌＭＣＵｍａｒｋｅｔｆｒｏｍ１９９ｌｔＯ２０００
＼销售韧
产品＼１９９１１９９２１９９４２０００
４５ＭＣＵ１６．５５１６．５１８．２１７
８位ＭＣＵ２６．９５２９．８４８．５５９２
１６／３２位ＭｃＵ３．２５３．７５８．３４９
ＤＳＰ３．７５４．５０９．９５３２
资料来源：ＩＣＥ与从８位机迅速向１６位、３２位、６４位过渡的通用计算机相比，８位单片机从２０世纪７０年代初期诞生至今，虽历经从单片微型计算机到微控制器、ＭＣＵ和ＳｏＣ的变迁，８位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来相当长的时间旱，仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展道路”３。嵌入式系统嵌入到对象体系中，
并在对象环境下运行。与对象领域相关的操作主要是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机交互等。而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及
人机交互所要求的响应速度有限，而且不会随时间变化。在８位单片机能基本满足其响应速度要求后，数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。因此８位单片机会稳定下来，其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端应用的巨大市场以及８位机具有的速度潜力，可以预期在未来相当长的时间内，８位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。
在８位单片机中，８０Ｃ５１系列形成了一道独特的风景线。历史最长，长盛不衰，众星捧月，不断更新，形成了既具有经典性，又不乏生命力的一个单片机系列。总结８０５１系列的发展历史，可以看出单片机的３次技术飞跃。
