一種8位嵌入式RISC MCU IP核數(shù)據通道模型設計

　　隨著IC產業(yè)的發(fā)展，IP核的需求越來越高。微控制器MCU(Micro Control Unit)是嵌入式系統(tǒng)的核心，8位MCU IP核具有很高的通用性和靈活性，廣泛地應用于工業(yè)控制、機械設備、家用電器以及汽車等各個領域。本文設計的MCU IP核與Microchip公司的PIC16C57完全兼容[1]。MCU IP核采用哈佛結構，內部單元可簡化為時序控制和數(shù)據通道兩部分。時序控制部分為數(shù)據通道提供控制信號，控制數(shù)據流動方向以及數(shù)據通路的選擇，它是IP核的指揮中心；數(shù)據通道部分在控制部分的控制下，具體實現(xiàn)MCU IP核的指令功能，它是影響MCU性能、功耗等因素的關鍵，是整個芯片設計的重點。

　　本文在設計該款MCU IP核的數(shù)據通道部分過程中，提出了一種特定的數(shù)據通道模型；最后，通過對整個MCU IP核仿真綜合，對該數(shù)據通道模型進行了驗證。

　　1 數(shù)據通道模型及數(shù)據總線Verilog HDL模型

　　1.1數(shù)據通道模型結構圖

　　本文設計的MCU數(shù)據通道模型包含各數(shù)據通道單元及單條雙向數(shù)據總線。其中數(shù)據通道單元主要由特殊功能寄存器、通用寄存器及運算單元ALU等電路組成，每個通道單元還可再分為多個子通道單元。數(shù)據通道頂層模型如圖1所示，數(shù)據主要在數(shù)據總線及各數(shù)據通道單元中流動，由一條雙向數(shù)據總線完成每個數(shù)據組元的讀寫操作，充當每個組元源總線及目的總線雙重功能，并由特定電路完成總線數(shù)據的讀寫操作。該數(shù)據通道模型的最大特點為：通過n個子通道選擇信號，各數(shù)據通道單元內部可再分為n個子數(shù)據通道，由1/n譯碼器實現(xiàn)每一個時刻只有一條子通道選通。上層的數(shù)據通道控制信號仍然有效，作為子層數(shù)據通道的公共開關[2]。依次類推，該數(shù)據通道模型可以是多層的。數(shù)據通道層次模型如圖2所示。

　　數(shù)據通道模型內數(shù)據的流動在時間軸上是時刻向前的，而數(shù)據流動的軌跡則呈現(xiàn)為相互環(huán)繞的螺旋形。

　　1.2 內部數(shù)據總線的Verilog HDL模型

　　數(shù)據通道模型中內部數(shù)據總線分別由三態(tài)門和多路選擇器實現(xiàn)讀寫操作，使用特定的硬件描述語言Verilog HDL代碼模型進行描述。對于掛接n個數(shù)據通道單元的m位數(shù)據通道內部數(shù)據總線，讀、寫兩種操作的Verilog HDL代碼模型分別表示如下[3]：

　　2 設計實現(xiàn)

　　本文以數(shù)據通道單元ALU為例介紹數(shù)據通道模型的層次結構。ALU是MCU IP核的運算單元，是數(shù)據的加工處理部件，是數(shù)據通道中最特殊的數(shù)據通道單元。它實現(xiàn)加、減、與、或、異或、非、左移、右移、半字節(jié)交換等九種運算，其中前五種是雙操作數(shù)操作，其余四種是單操作數(shù)操作。對于雙操作數(shù)操作，ALU數(shù)據通道單元一邊采用兩條兩個源操作數(shù)數(shù)據通道，另一邊采用一條目標操作數(shù)數(shù)據通道；而單操作數(shù)操作僅需開啟一條源操作數(shù)數(shù)據通道。

　　本文的ALU采用低功耗設計。通過控制部分譯碼得出ALU主要實現(xiàn)四種運算：算術運算、邏輯運算、移位運算以及半字節(jié)交換運算。本文通過加、減操作復用一個8位超前進位加法器，將ALU模塊分為8個運算單元，構成8個子數(shù)據通道。通過對ALU子數(shù)據通道選通信號aluop[2：0]進行譯碼對8條子通道進行選通，如表1所示。在系統(tǒng)復位或者不工作時，各運算單元處于休眠狀態(tài)；在每條指令的執(zhí)行周期，ALU中8個子數(shù)據通道始終只有一條子數(shù)據通道處于選通工作狀態(tài)。不同類的指令對應不同的數(shù)據通道，把對ALU運算的控制轉化為對ALU內子數(shù)據通道的選擇，降低了ALU整體功耗[4]。

　　一般來說，數(shù)據通道的選通由選通信號控制，而數(shù)據通道的開啟必須由整個MCU IP核控制部分產生的四相不重疊時鐘節(jié)拍控制，分別為clk1、clk2、clk3、clk4。時鐘節(jié)拍不參與數(shù)據通道的選擇，所起作用只是數(shù)據通道的開啟。數(shù)據通道內數(shù)據的流動是有方向的，本文中數(shù)據流動的方向性體現(xiàn)為不同時鐘節(jié)拍控制的不同數(shù)據通道的開啟。以單操作數(shù)指令半字節(jié)交換指令(SWAP)為例說明，半字節(jié)交換指令只需開啟一條源操作數(shù)通道。如圖3所示，控制部分在clk1時取出指令，產生控制信號，進入數(shù)據通道操作；在clk2時，在存儲單元中選擇源操作數(shù)寫入數(shù)據總線，開啟ALU運算單元的源操作數(shù)alu_xbus_a[7:0]數(shù)據通道，此時內部雙向數(shù)據總線充當ALU源總線；在clk3時，根據ALU模塊子通道選通信號aluop[3:0]選擇ALU功能模塊SWAP，開啟源操作數(shù)進入ALU進行半字節(jié)交換運算的數(shù)據通道；在clk4時，將ALU運算單元的運算結果aluout[7:0]通過數(shù)據總線寫入到各目的數(shù)據通道單元中，即開啟目的操作數(shù)數(shù)據通道，此時內部雙向數(shù)據總線充當ALU目的總線。

　　需要說明的是，圖3中數(shù)據databus[7:0]來自數(shù)據總線，由數(shù)據通道單元特殊功能寄存器和通用寄存器提供數(shù)據。其中特殊功能寄存器包括F0間址寄存器、F1實時時鐘/計數(shù)寄存器RTCC、F2程序計數(shù)器PC，F(xiàn)3狀態(tài)計數(shù)器STATUS、F4寄存器選擇寄存器FSR以及F5、F6、F7 I/O寄存器?？梢韵蛳略俜譃?條子數(shù)據通道，子通道選通信號為fsel[2:0],而上層數(shù)據通道開關控制信號為rf_spr_re、rf_spr_we，即特殊功能寄存器讀寫控制信號。其具體實現(xiàn)與ALU數(shù)據通道單元類似，這里不再贅述。

　　在該款MCU IP核數(shù)據通道模型中，數(shù)據總線全部采用本文所述的Verilog HDL代碼模型描述?；谥行膰HSMIC 0.35μm工藝庫(工作電壓為3伏)，使用Synopsys公司VCS和 DC對該款MCU IP核進行了仿真綜合，并進行了功耗分析。綜合分析結果得出，該數(shù)據通道電路結構規(guī)整，設計得到了簡化，總體功耗約為49.5980mW，實現(xiàn)了低功耗設計。

　　本文使用固定電路結構描述內部數(shù)據總線，通過特定層次化數(shù)據通道模型的設計，體現(xiàn)了自頂向下(Top-Down)的設計方法，降低了整個MCU IP 核設計的復雜度，縮短了設計周期。該設計適用于大規(guī)模系統(tǒng)芯片開發(fā)設計。

　　參考文獻

　　1 pic16c5x.pdf. Microchip Technology Inc.,1998

　　2 鐘旭恒，高明倫.基于數(shù)據通道指令流程圖的硬布線控制電路設計. 微電子學與計算機，2001;(5):8～11

　　3 夏宇聞.復雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的Verilog HDL設計技術.北京:北京航空航天大學出版社，2003:13

　　4 羅 文，楊 波.寄存器傳輸級低功耗設計方法.小型微型機算機系統(tǒng)，2004;(7):1207～1211

　　5 孫海平，李 偉.基于資源共享的ALU設計.微電子學與計算機，2001;(5):16～20