8位微控制器體系架構(gòu)的設計研究

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1.引言

　　微控制器（Microcontroller）自上世紀70年代出現(xiàn)以來，在將近30年的時間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應用。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、價格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點被廣泛應用于家用電器、計算和外設、通訊、工業(yè)控制、自動化生產(chǎn)、智能化設備以及儀器儀表等領域，成為科研、教學、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)的簡單微控制器到現(xiàn)在普遍采用哈佛總線結(jié)構(gòu)的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展。

　　8位微控制器目前應用數(shù)量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場；其市場及價格競爭都極為激烈，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體工藝技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA和SOC技術(shù)的不斷競爭和融合，電子產(chǎn)品的設計逐漸向系統(tǒng)性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、開發(fā)更容易的方向發(fā)展。因此，迅速推出符合市場需求的高性價比、低功耗、高經(jīng)濟效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現(xiàn)今不少公司競爭相逐的熱點。

　　2.目前8位微控制器的更新和設計趨勢

　　對于不同的微控制器（MCU）產(chǎn)品應用，不僅需要考慮不同廠家MCU的性價比，而且還需要考慮不同指令系統(tǒng)下MCU應用特點。針對不斷涌現(xiàn)出來的新的智能化電子產(chǎn)品，們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應用的MCU新產(chǎn)品[2].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，如市場上廣泛應用的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)指令需要多個時鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點。RISC和類RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來的硬布線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)。簡單的指令集可以用硬布線進行指令譯碼，而不需要用微碼控制的方式，提高了譯碼的效率。流水線結(jié)構(gòu)將指令分成幾步完成，在流水線填滿工作時，每條指令的平均執(zhí)行時間（CPI）在1個時鐘周期左右[3].一般來說，RISC比同等的CISC要快50%——70%，同時更容易設計和糾錯。

　　因此，目前對8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和研究設計主要是以兼容市場上已被客戶廣泛采用的產(chǎn)品為前提，不斷提高性能并降低功耗以適應市場競爭和技術(shù)發(fā)展。對于原先為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)漸漸的融合進了RISC思想；對于采用RISC指令系統(tǒng)的微控制器來說，更多的做法仍然是針對高性能低功耗的需求對其整個體系架構(gòu)不斷地進行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結(jié)構(gòu)的改進最為多見。本文正是在種形勢下提出的，主要討論RISC體系架構(gòu)的8位微控制器產(chǎn)品的設計技術(shù)。

　　3.RISC微處理器的結(jié)構(gòu)特征和設計原則

　　雖然現(xiàn)在業(yè)界對RISC 處理器應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）采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成以便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)流水化；（2）采用獨立且簡單的裝載/存儲結(jié)構(gòu)；（3）指令解碼通常都是硬連線實現(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)通道流水線化，使處理過程高度并行；（7）采用大容量高速寄存器堆（或稱為寄存器文件），盡量避免與速度較低的系統(tǒng)RAM交換數(shù)據(jù)。盡量將運算數(shù)據(jù)存放在寄存器中，從而減少訪問內(nèi)存的次數(shù)。根據(jù)以上的討論，下文重點從體系架構(gòu)的角度出發(fā)，就高性能、低功耗兩方面對8位RISC微控制器在設計中的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討研究。

　　4.關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 RISC指令集的選取

　　控制器系統(tǒng)的使用跟軟件編程與硬件設計之間的規(guī)格接口密切相關(guān)，這個接口就是微控制器的指令集。指令體系結(jié)構(gòu)（ISA）是進行微處理器軟硬件協(xié)同設計的前提。指令集必須完備，使所有可計算的功能都在合理的程序空間內(nèi)得以實現(xiàn)；而且指令集又必須是高效的，以便使常用的功能可以用相對少的指令實現(xiàn)。因此，提供給應用軟件開發(fā)的微控制器系統(tǒng)必須有一個完備而高效的指令集。

　　指令集直接決定微控制器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，同時也是用戶程序編譯生成目標代碼的依據(jù)。指令集的最終確定與整個系統(tǒng)所需的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器變量及存儲器尋址方式密切相關(guān)且相互制約。各個部件乃至具體的字節(jié)都應該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對各個部件或字節(jié)進行辨認操作。因此也就有了相應的一系列針對不同產(chǎn)品的不同措施： 1）從所需要的地址度和相應增加的寄存器來權(quán)衡指令的長度；2）對指令進行分類并分別確定各類的指令字節(jié)格式，以簡化操作控制信號的譯碼邏輯；3）增加相應的寄存器以彌補指令字節(jié)長度的不足；4）指令字節(jié)格式分配應考慮到相應部件的結(jié)構(gòu)復雜度及對應的尋址方式；5）存儲器、寄存器、I/O口是否統(tǒng)一尋址。以上所列舉的并不詳盡也無先后順序之分，應該同時進行分析。相應的措施所對應的性能、功耗、設計復雜度各不一樣，應統(tǒng)一考慮。

　　對ISA進行功耗分析應該從指令代碼容量和指令執(zhí)行效率兩方面考慮。指令集大小、寄存器變量、存儲器尋址方式、流水線結(jié)構(gòu)等技術(shù)的選定都和指令代碼密度有緊密聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，在RISC的精簡指令集中適當增加一些特定的復雜指令不失為提高代碼密度、保證處理器高性能、低功耗的可行方法。因此能夠產(chǎn)生高指令代碼密度的指令集無疑是RISC低功耗設計的首選。

　　4.2 具有共享區(qū)的寄存器堆的分頁設計

　　RISC設計思想的最主要特點是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器——寄存器操作的指令進行數(shù)據(jù)傳送，加快了速度，而且還簡化了指令控制邏輯，縮小了硬布線邏輯構(gòu)成的控制部件的芯片面積。

　　在指令中固定寄存器地址的位數(shù)必然限制寄存器的數(shù)量，但是引入高端處理器的分段、分頁的設計思想就可以擴展尋址的范圍。分段、分頁的設計思想的根本出發(fā)點在于將存儲器的線性地址分解成二維或多維地址；在指令中只表達最低維地址，而使用其它設施（如段號寄存器、頁號寄存器）用來存放高維地址。一般將寄存器堆分成若干個頁，每個頁有固定的大小，在指令中只使用寄存器的頁內(nèi)地址。在系統(tǒng)專用寄存器中設置一個頁號寄存器，通過改變其內(nèi)容來切換對不同頁寄存器的訪問。

　　為克服單純分頁機制中的各種缺陷，通常采用具有共享區(qū)的分頁設計，這樣不僅減少了指令中寄存器邏輯地址的位數(shù)，而且在任何時候都能夠訪問系統(tǒng)寄存器，同時便于不同頁寄存器之間通過共享區(qū)中的通用寄存器交換信息。當然還得有相應的邏輯地址到物理地址的映射的方法措施。

　　4.3 程序空間的分頁設計

　　由于和寄存器堆同樣的原因，在指令中若采用完整的程序空間地址，也會局限程序空間的大小，所以對程序空間通常也采用了分頁的設計思想，同時在不同頁內(nèi)設置了公共程序區(qū)（若指令長度完全符合程序空間地址的要求，則無需此思想），其設計思想類同于具有共享區(qū)的寄存器分頁設計，在此不再贅述。唯一與寄存器公共區(qū)不同的是：程序公共區(qū)是為程序在不同頁之間跳轉(zhuǎn)提供平臺。

　　4.4 流水線技術(shù)

　　流水線設計與8位RISC微控制器體系架構(gòu)密不可分，是整個系統(tǒng)的設計核心，它的選用優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的性能和功耗。

　　流水線技術(shù)能最大限度地利用了微控制器資源，使每個部件在每個時鐘周期都工作，大大提高了效率，但由于流水線的各個段之間存在很強的依賴關(guān)系。如果處理不當， 指令的運行將達不到預期的結(jié)果，因此必須熟知流水線的相關(guān)和轉(zhuǎn)移問題。其一為資源沖突， 即同一時間內(nèi)爭用同一功能部件， 一般為同時訪問存儲器， 這就需要停頓一拍流水線； 其二為數(shù)據(jù)相關(guān)沖突， 有三種類型： RAW、WAR、WAW ， 解決該沖突使用內(nèi)部直通結(jié)構(gòu)或者延遲一拍流水線； 其三為控制轉(zhuǎn)移沖突， 即對于條件跳轉(zhuǎn)指令， 根據(jù)運算結(jié)果判斷是否跳轉(zhuǎn)， 才能確定新的PC值， 運算結(jié)果是在執(zhí)行階段后獲得， 這使流水線喪失很多的性能， 一般采用增加硬件預先獲得運算結(jié)果解決該沖突。

　　越是長的流水線，相關(guān)和轉(zhuǎn)移兩大問題也越嚴重：一方面導致硬件控制電路復雜程度大大增加， 另一方面， 由于流水線節(jié)拍的停頓， 導致CPI值的增大及系統(tǒng)性能的下降。所以，流水線并不是越長越好，找到一個速度與效率的平衡點才是最重要的。

　　在8位RISC微控制器的流水線設計中，存在很多種方案。不同方案所對應的面積、速度與功耗各不相同。具體的選用則應該從多個方面融合考慮。首先應該由系統(tǒng)的工作速率要求和流水線級數(shù)、深度推導出多種具體的流水線結(jié)構(gòu)方案及其所需要的嚴格時序；然后從系統(tǒng)的功耗、面積、性能及由流水線相關(guān)和轉(zhuǎn)移問題引起的設計復雜度等方面考慮出發(fā)，判斷各方案的優(yōu)劣；最后折衷選擇符合的最優(yōu)方案。

　　4.5 低功耗技術(shù)

　　隨著半導體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路進入深亞微米階段，微處理器的時鐘頻率和芯片集成度不斷提高，功耗已在很多設計領域成為了首要關(guān)注的問題，這點最為突出的即是高性能微處理器和便攜電子設備產(chǎn)品。

　　在根據(jù)系統(tǒng)功能說明進行軟硬件協(xié)同設計、確定指令體系結(jié)構(gòu)時，不同的設計出發(fā)點所導致的設計功耗結(jié)果差別會很大。因此整個體系架構(gòu)的確定無疑是低功耗問題應該考慮的首要問題，主要體現(xiàn)以下幾個方面：1）盡可能根據(jù)功能需求優(yōu)化指令集，簡化系統(tǒng)的譯碼單元和執(zhí)行單元；2）通過開發(fā)硬件的并行性以及功能單元的流水執(zhí)行來實現(xiàn)低功耗的結(jié)構(gòu)；3）合理設置確定存儲器、寄存器的容量，減少所需的總線數(shù)目；4）系統(tǒng)硬件的各個子模塊劃分以及軟件上設置不同的工作狀態(tài)對功耗的優(yōu)化非常重要。

　　5.結(jié)束語

　　在微控制器應用領域日益廣泛的今天，對微控制器提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、價格低廉、易學易用以及組成系統(tǒng)時的外圍器件更少。因此，對目前應用數(shù)量最廣的8位微控制器的產(chǎn)品開發(fā)和設計研究顯得尤為重要。又體系結(jié)構(gòu)設計是整個設計關(guān)鍵之關(guān)鍵，其后的所有工作，都是依賴于所設計的體系結(jié)構(gòu)來進行的。本文就此對8位RISC體系架構(gòu)中采用的關(guān)鍵技術(shù)所應該考慮的問題進行了分析和探討，具有一定的研究價值和意義。