1.引言
微控制器(Microcontroller)自上世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，在將近30年的時(shí)間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價(jià)格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家用電器、計(jì)算和外設(shè)、通訊、工業(yè)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化設(shè)備以及儀器儀表等領(lǐng)域，成為科研、教學(xué)、工業(yè)技術(shù)改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單微控制器到現(xiàn)在普遍采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展 。
8位微控制器是目前應(yīng)用數(shù)量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場(chǎng);其市場(chǎng)及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)都極為激烈，各種多功能需求以及不同規(guī)格的產(chǎn)品推陳出新的速度也極為快速。隨著集成電路和半導(dǎo)體工藝技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA和SOC技術(shù)的不斷競(jìng)爭(zhēng)和融合，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)逐漸向系統(tǒng)性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、開(kāi)發(fā)更容易的方向發(fā)展。因此，迅速推出符合市場(chǎng)需求的高性?xún)r(jià)比、低功耗、高經(jīng)濟(jì)效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現(xiàn)今不少公司競(jìng)爭(zhēng)相逐的熱點(diǎn)。
2.目前8位微控制器的更新和設(shè)計(jì)趨勢(shì)
對(duì)于不同的微控制器(MCU)產(chǎn)品應(yīng)用，不僅需要考慮不同廠家MCU的性?xún)r(jià)比，而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應(yīng)用特點(diǎn)。針對(duì)不斷涌現(xiàn)出來(lái)的新的智能化電子產(chǎn)品，人們一直在開(kāi)發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的MCU新產(chǎn)品。不同廠家的MCU產(chǎn)品其指令集各不相同，特別是指令集系統(tǒng)架構(gòu)的不同，如市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的MCS51系列和PIC系列微控制器則分別采用CISC指令系統(tǒng)和RISC指令系統(tǒng)。
微控制器按照指令系統(tǒng)可以分為CISC、RISC、類(lèi)RISC(RISC-LIKE)等幾種。傳統(tǒng)的MCS51控制器屬于CISC型，其代碼密度高，但大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類(lèi)RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點(diǎn)。RISC和類(lèi)RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來(lái)的硬布線(xiàn)結(jié)構(gòu)和流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的指令集可以用硬布線(xiàn)進(jìn)行指令譯碼，而不需要用微碼控制的方式，提高了譯碼的效率。流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)將指令分成幾步完成，在流水線(xiàn)填滿(mǎn)工作時(shí)，每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間(CPI)在1個(gè)時(shí)鐘周期左右。一般來(lái)說(shuō)，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同時(shí)更容易設(shè)計(jì)和糾錯(cuò)。
因此，目前對(duì)8位微控制器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研究設(shè)計(jì)主要是以兼容市場(chǎng)上已被客戶(hù)廣泛采用的產(chǎn)品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展。對(duì)于原先為CISC指令系統(tǒng)的微控制器產(chǎn)品，在層出不窮的更新系列中已經(jīng)漸漸的融合進(jìn)了RISC思想;對(duì)于采用RISC指令系統(tǒng)的微控制器來(lái)說(shuō)，更多的做法仍然是針對(duì)高性能低功耗的需求對(duì)其整個(gè)體系架構(gòu)不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其是流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)最為多見(jiàn)。本文正是在這種形勢(shì)下提出的，主要討論RISC體系架構(gòu)的8位微控制器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)。
3.RISC微處理器的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)原則
雖然現(xiàn)在業(yè)界對(duì)RISC 處理器應(yīng)該具有什么特征還有不同的看法，但是各種RISC結(jié)構(gòu)都有一些共性：(1)采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成以便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)流水化;(2)采用獨(dú)立且簡(jiǎn)單的裝載/存儲(chǔ)結(jié)構(gòu);(3)指令解碼通常都是硬連線(xiàn)實(shí)現(xiàn)而不是微解碼，以便加快執(zhí)行速度;(4)多數(shù)指令具有固定格式，以簡(jiǎn)化指令編碼和譯碼;(5)較小的指令集和少數(shù)幾種尋址模式;(6)數(shù)據(jù)通道流水線(xiàn)化，使處理過(guò)程高度并行;(7)采用大容量高速寄存器堆(或稱(chēng)為寄存器文件)，盡量避免與速度較低的系統(tǒng)RAM交換數(shù)據(jù)。盡量將運(yùn)算數(shù)據(jù)存放在寄存器中，從而減少訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)。根據(jù)以上的討論，下文重點(diǎn)從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對(duì)8位RISC微控制器在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。
