兼容51指令的8位MCU IPCORE設計

3.3.1 指令狀態的設計

圖2 指令狀態機狀態圖

如圖2 所示狀態機共有五種狀態,每個狀態轉換時間都對應一個時鐘周期,所有指令共有狀態為取指狀態(取指令操作碼)和開始狀態(復位后的狀態),中間的執行狀態根據不同指令來分別采取1 到3 個執行步驟,比如ADD A RN 需要一個執行步驟,ADD A #DATA 需要兩個執行步驟等。這樣所有的指令就可以在一到四個時鐘周期內完成整個指令的執行過程。

3.3.2 指令狀態機的實現

51指令按功能分為五類:數據傳送類;算術操作類;邏輯操作類;控制程序轉移類;布爾變量操作類。出于減少內部連線和控制方便的考慮，我們將不同類的指令放在了不同的模塊中解碼執行。

算術操作類指令和邏輯操作類指令由指令譯碼控制模塊實現譯碼,產生操作數和ALU控制命令,然后傳送給算術邏輯運算單元ALU 完成運算,ALU 模塊將運算結果送回指令譯碼控制模塊,再由指令譯碼控制模塊將結果寫回目的單元。

數據傳送類指令中的MOVX指令的實現需要所有外部控制時序信號的配合。在輸出控制邏輯中直接產生MOVX所需的控制信號。數據的輸入輸出則在指令譯碼控制模塊中實現。數據傳送類中其他指令和布爾變量操作類指令中的非轉移指令都直接在指令譯碼控制模塊中實現,通過內部總線實現內部存儲器、寄存器，外部存儲器之間的數據傳送。

控制程序轉移類指令由于與程序計數器直接相關,因而這一類指令中的長調用指令、絕對調用指令、長轉移指令、絕對轉移指令、相對轉移指令、子程序返回指令的PC計算放在了狀態機時序部分PC計算模塊,完成取指操作;而條件轉移指令和布爾變量操作類中的測試轉移指令則由指令譯碼控制模塊完成測試比較操作,將比較結果送回PC計算模塊使其根據比較結果來完成轉移操作;由于數據傳送類指令中的MOVC指令直接操作程序計數器,因而它的實現也放在了這個模塊中。

4 核內其他單元的設計

4.1 中斷單元的實現: 此次IPCORE 共有5 個中斷包括兩個外部中斷,三個中斷。中斷源的檢測是在狀態機時序部分完成,執行中斷程序之前操作如PC 裝載中斷向量值,PC 值的保存,清除中斷標志等是在狀態機的組合邏輯部分實現。

4.2 定時計數單元和UART 的設計:兩個多功能16 位定時/ 計數器,我們用兩個進程分別來實現。定時/ 計數器1 與定時/ 計數器0 類似,但它輸出一個溢出脈沖到串行接口,給串行接口提供波特率。溢出中斷標志輸出到中斷處理模塊。串行口是一個全雙工通信接口,它可作UART 用,也可以作同步移位寄存器用。我們用兩個進程來分別實現其收發功能。收發所需時鐘在進程外實現,模式1、2、3 的區別只是時鐘和位數不同,故放在一起實現。

4.3 存儲器設計:核內包含256B 的存儲器,其中低128 單元作為用戶RAM,高128 單元作為SFR.外部RAM 和ROM 可根據需要任意擴展到64KB。此次設計采用哈佛總線結構,ROM 和RAM 區由控制模塊分別提供數據,地址傳送總線以及控制信號線。內部RAM 和外部RAM 的讀寫也采用不同的控制線獨立控制。這樣的并行結構加速了指令執行的過程,有利于速度的提升。

5 功能和時序仿真的結果

5.1 功能測試

編完代碼后,將所有模塊整合,接下來就需要搭建測試平臺(testbench),寫激勵文件,進行功能仿真。在源代碼調試階段,編寫一簡單的指令來進行仿真,然后看波形就可以了。當所有指令的調試基本通過的時候,就要對其進行全功能仿真,因此,針對此核的不同功能,如外中斷、定時器/計數器、UART等需要編寫不同的測試文件,以保證其在多種情況下都能正常工作。

測試平臺見圖

圖3 測試平臺的建立模式