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1、西南交通大学 硕士学位论文 基于EM78指令系统的MCU核的设计研究 姓名：曹莉 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：王丹 20080201 西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘 现代电子技术的飞速发展使得S O C ( s y s t e m - o n c h i p ) 成为I C ( I n t e g r a t e dC i r c u i t ) 设计的必然趋势和主流。I P ( I n t e l l e c t u a l P r o p e r t y ) 核复用技术由于能大大提高S O C 开发效率并降低设计成本逐渐成 为一种主流的设计方法。而八位微
2、处理器己经成为I P 库中的重要成员，其 嵌入式结构正是S O C 的一种重要实现技术和方法。本论文致力于一款与台湾 义隆公司的E M 7 8 系列单片机指令系统兼容的M C U ( M i c r oC o n t r o l l e rU n i t ) 核的设计，为将来开发具有特殊用途的集成电路以及实现系统集成奠定坚实 的基础。 本论文首先从正向设计的角度，对E M 7 8 微控制器中的C P U ( C e n t r a l P r o c e s s i n gU n i t ) 单元建立了一个Y e r i l o g 硬件语言描述的I P 模型。该模 型的主要特点是采用哈佛体系
3、结构和指令流水线操作。采用R I S C ( R e d u c e d I n s t r u c t i o nS e tC o m p u t i n g ) 结构的精简指令集，其指令长度为固定1 3 位，一共5 7 条指令，绝大部分为单周期指令，在设计中采用2 级流水。这 个I P 模型主要由算逻运算模块、P c 指针模块、时钟产生模块、译码模块、 取数、回写和存储器等8 大模块组成。论文中详细介绍了各个子模块的设计 和仿真验证。在完成子模块的设计后，对整个设计的模型进行了功能仿真， 仿真结果正确符合设计初衷。 但是由于整个正向设计采用了简化的措施，相比于实际的电路还存在较 大的差距。
4、为了尽快完成整个M C U 核的开发，赶上国际先进水平，需要借鉴 和吸收国外成功的设计经验，否则芯片的面积和性能很难做到最优，因此我 们决定通过正向和逆向结合的方法来设计该微控制器。所以又从逆向设计的 角度，深入研究了E M 7 8 微控制器芯片中处理器的电路结构的实现；对从版 图中提取的电路进行了按模块划分的详细分析，并最后综合起来进行了 F P G A 的验证，我们通过一些应用程序验证了电路的正确性。 关键词：R I S C ，M C U 核 西南交通大学硕士学位论文第l I 页 A B S T R A C T W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e
5、n to ft h eE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y , S O Ch a sb e c o m e t h et r e n da n dm a i n s t r e a mo fI Cd e s i g n T h em e t h o d o l o g yb a s e do nt h eI Pr e u s e t e c h n o l o g y , w h i c hc a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya t al a r g ed e g r e ea n d
6、 d e c r e a s et h ec o s t ，i sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ec h i e fm e t h o d o l o g yo fS O Cd e s i g n H o w e v e r , 8 一b i tm i c r o p r o c e s s o rh a sb e c o m eam e m b e ro fI Pl i b r a r y a n di t s e m b e d d e df r a m e w o r ki sa l li m p o r t a n tt e c h n o l
7、 o g ya n dm e t h o do fS O Cd e s i g n T h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed e s i g no faM C Uc o r ew h i c hw a sc o m p a t i b l ew i t ht h e i n s t r u c t i o ns y s t e mo fE M C C o r p o r a t i o n Ss i n g l ec h i p T h i sw o u l db u i l du pa s o l i db a s ef o rd e v e l o p
8、i n gs p e c i a lp u r p o s eA S I C sa n dr e a l i z i n gI Cs y s t e m i n t e g r a t i o n si nt h ef u t u r e F i r s t l y , t h et h e s i sb u i l tu pa nI Pm o d e ld e s c r i b e db yV e r i l o gi n t h eC P Uo f E M 7 8 T h eI Pc o r em o d e ld e s i g n e di n t h i sp a p e ri s
9、f e a t u r e db yaH a r v a r d a r c h i t e c t u r ea n dp i p e l i n eo p e r a t i o n I ta d o p t sR I S Cw h o s ei n s t r u c t i o nl e n g t hw a s 1 3b i t s C o n s e q u e n t l y , a l li n s t r u c t i o n s ( 5 7 ) a r ee x e c u t e di nas i n g l e c y c l ee x c e p t f o raf
10、 e wo n e sa n di tU S e St w o l e v e lp i p e l i n es t r u c t u r e T h eI Pc o r ei sm a d eu po f e i g h tm o d u l e s ，w h i c ha r ea l um o d u l e ，p c - p o i n tm o d u l e ，e l k g e n m o d u l e ，d e c o d e m o d u l e ，g e t d a t am o d u l e ，w r i t e - b a c km o d u l e ，R
11、A Ma n dR O M T h e s em o d u l e s a l ed e s c r i b e db yV e r i l o gH D La n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y A tl a s t ，t h et o pm o d u l e i ss i m u l a t e da n dt e s t i f i e dc o r r e c t H o w e v e r , t h i ss y s t e mw a ss i m p l i f i e dd u r i n gt h eu pt od o
12、w nd e s i g n ，a n di th a s o b v i o u sd i f f e r e n c e st o t h e a c t u a lc i r c u i t I no r d e rt oc a t c hu pt h ef o r e i g n a d v a n c e dt e c h n o l o g y , w es h o u l ds t u d yt h e i rs u c c e s s f u ld e s i g ne x p e r i e n c e O t h e r w i s e ，w ec o u l dn o t
13、g e to u rp r o d u c t Sp e r f o r m a n c ea n da c r e a g eo p t i m i z e d S oi ti sd e t e r m i n e dt h a tw ea d o p tt h ed e s i g nm e t h o dc o m b i n e dr e v e r s ea n a l y s i s a n dt o p - d o w nd e s i g n T h e nE M 7 8m i c r o p r o c e s s o rh a sb e e ns t u d i e db
14、y i n v e s t i g a t i n gt h el a y o u t ，w h i c hh a sb e e nr e d r e wa ss c h e m a t i ci nb l o c k s A f t e r t h a t ，t h i ss c h e m a t i c h a sb e e n d o w n l o a d e dt oF P G A t op r o v ei t sv a l i d i t y 西南交通大学硕士学位论文第1 II 页 K e yw o r d s ：R I S C ，M C U c o r e 西南交通大学 学位
15、论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导老师签名： 日期：工伊卜己 翻 M 骆伽 UI ：弓 铝 登哆 作 弦腓M 论 ： 筒期学日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工
16、作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文对基于E M 7 8 指令系统的M C U 核的设计研究，首先采用正向设计 的方法进行系统的分析，采用哈佛总线结构和指令两级流水的时序设计，用 V e f i l o gH D L 语言对系统进行建模，分模块进行电路的编写、仿真，到综合 实现。通过此R I S C C P U 的设计，使得对M C U 核有了基础的奠定了解，但 是从上到下的设计，用工具综合出的电路与真实的电路相比，无论电路的精 简和优越性等方面都存在较大的差距。因此又从反向设计的角度出发，对 E M 7 8 1 5 6 单片机进行详尽的电路分析和F P G A 验证。通过对电路的反向分 析，锻炼分析问题的能力，从细节处可以获得不少经验，吸取他人的优点， 学习先进的设计方法。在具备了一定的电
