一種兼容MCS-51指令集的高速MCU設計與驗證.pdf

1、自二十世紀八十年代美國因特爾公司推出80C51、80C52微控制器后，兼容MCS-51指令集的微控制器在八位微控制器中逐漸成為市場主流。最近十幾年，隨著MCS-51指令集專利的到期，各大芯片設計廠商也都在MCS-51指令集基礎上推出了自己的八位微控制器。目前，市場上采用MCS-51指令集的微控制器指令執(zhí)行效率通常低于20MIPS，這嚴重制約了該類微控制器在高速數(shù)據(jù)處理方面的應用。為了提高 MCS-51指令集的執(zhí)行效率，論文中采用多周期技

2、術和流水線技術設計出了指令執(zhí)行效率高達36MIPS的MCU IP核c8051.
　　課題中采用兩個真雙端口八位ROM和兩個單端口八位ROM設計出了c8051 IP的程序存儲器結構，以這種結構作為程序存儲器的c8051 IP可以在一個時鐘周期內取出每條指令的所有操作碼和操作數(shù)，這樣使得c8051 IP可以采用類似于MIPS的五級指令流水線來執(zhí)行自己的指令，這大大提高了c8051 IP執(zhí)行指令的效率。課題中設計的c8051 IP存儲器

3、結構采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的雙總線哈弗架構。其數(shù)據(jù)存儲器由工作寄存器組、片內RAM和特殊功能寄存器三部分組成，這三部分的字節(jié)地址采用統(tǒng)一編碼的方式。c8051 IP支持中斷操作，在微控制器處理中斷服務程序前，c8051 IP創(chuàng)新性的采用LCALL指令的數(shù)據(jù)通路和控制通路實現(xiàn)了對PC值的入棧操作。為了方便c8051 IP與外部芯片通訊，課題設計了針對c8051 IP的UART、SPI和I2C接口，這些接口模塊都支持中斷操作。
　

4、　為了對c8051 IP和各外設模塊做完整的功能測試，本論文在linux環(huán)境下搭建了c8051IP單指令測試平臺和benchmark測試平臺。MCU單指令測試部分，采用SystemVerilog端口對 MCU內核進行封裝，同時在測試模塊中插入SystemVerilog斷言，實現(xiàn)了單指令自動化測試平臺的搭建。在benchmark測試部分，通過 perl腳本，配合Keil編譯器，使用NCsim完成了對MCU的benchmark測試平臺的搭建