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随着信息技术的飞速发展,嵌入式微控制器以其高性能、低功耗、价格廉等优点,广泛应用于各种电子设备中,目前以8位微控制器最为常用。本文在深入分析Motorola公司M68HC11微控制器系统结构的基础上,参考了其他微控制器的设计思路,设计实现了8位嵌入式微控制器EMU11。
论文详细描述了EMU11微控制器的体系结构、工作原理和指令系统。从微控制器的指令系统入手,接着具体阐述了微控制器的内部寄存器、算术逻辑部件、逻辑控制单元、总线接口单元、I/O端口、中断控制与响应、以及系统的整体集成等具体设计的实现细节。为了有效地增强微控制器的总体性能,EMU11微控制器采用了自动保护中断现场和寻址空间统一编址等技术。特别的,微控制器的设计中还采用了一些独特的方法:使用了流水线技术;利用专用的PIPE指令解决流水线冲突和转移的问题;优化了流水线结构,保证很多指令可以在单时钟周期内完成;在逻辑控制单元的设计中提出了基于有限状态机的解决方案,简捷的完成了复杂的指令译码工作;着重优化了指令的译码过程,减少了译码和执行单元的信号线,节省了微控制器所需的硬件资源。
实现过程中利用先进的EDA仿真工具采用“功能模块的仿真、系统级功能仿真和布局布线后时序仿真”的三级仿真方法,保证微控制器设计实现的正确性,最终成功地在FPGA芯片上实现了该控制器。硬件环境下,微控制器能够按设计要求正确的执行测试程序,达到了预定的设计目标。
为了更好地应用这个微控制器,本课题还为其编制了汇编语言开发环境。在这个开发环境下,程序员可以完成EMU11汇编程序的编写、保存、汇编、下载执行等工作,从而构成了一个真正意义的、具有应用价值的微控制器。
本课题对基于FPGA芯片的复杂数字系统设计进行了很好的探索,采用的设计流程和方法具有代表性,为今后的数字系统设计提供了值得借鉴的研究思路、设计方法和工作经验。