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一种RISC结构8位单片机的设计与实现

作者：袁波 Publish: 2007-5-29 Hits:-

【中文题名】

一种RISC结构8位单片机的设计与实现

【英文题名】

Design of an 8-bit SCM Based on RISC Architecture

【学科专业】

微电子学与固体电子学

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-5-29

【中关键词】

单片机,流水线,精简指令集,片上系统,,

【英关键词】

SCM,RISC,pipe-line,SOC,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>计算技术、计算机技术>微型计算机>>

【论文摘要】

本文采用自顶向下(Top-Down)的设计方法,给出了一个完整的RISC结构8位单片机的电路IP核。系统在总线方面采用了数据总线与指令总线相分离的哈佛双总线结构;在顶层时钟资源的分配上采用了取址、译码执行的两级流水线结构;在指令系统方面采用了仅35条指令易于学习使用的精简指令集方案。顶层上的这种设计思想,极大有利于硬件资源在全系统内的共享,从而简化了电路结构,并保证了指令执行的单周期性,最终达到了降低功耗,提高系统运行速度的设计目的。文中各章节分别对系统架构、子模块划分、模块设计与仿真、逻辑综合以及系统仿真等内容作了详细的介绍。设计过程中,在不影响电路功能的前提下,本着结构精简的原则,以结构优化来提高速度,并优化面积,尽可能减少实际使用的门数,从而为降低功耗做出贡献。对地址多址器、控制器、算术逻辑单元等几个模块进行的深入研究,改善了它们的电路结构,尤其是算术逻辑单元的改进,打破了系统性能提高的瓶颈。比较器控制电路的顺利完成,将极大拓宽该单片机的应用领域。本人完成了全部前端设计工作,最终达到了与微芯公司PIC16C622完全兼容的目的,从而有利于其配套软件的直接移植。研发...

【论文题纲】

摘要	3-4
Abstract	4-9
第一章绪论	9-12
1.1 单片机的特点	9-10
1.2 PIC 单片机的特点	10-11
1.3 论文的选题目的和意义	11-12
第二章 RISC 结构8 位单片机系统概述	12-21
2.1 主要性能特点	12-13
2.1.1 CPU 性能特点	12
2.1.2 外围特性	12
2.1.3 微处理器特性	12-13
2.2 硬件结构特点	13-16
2.2.1 引脚说明	13
2.2.2 内部结构	13-16
2.2.2.1 精简指令集计算机（RISC）结构	14-15
2.2.2.2 哈佛（Harvard）双总线结构	15
2.2.2.3 两级指令流水线结构	15-16
2.3 指令系统与硬件关系	16-21
2.3.1 指令系统	16-18
2.3.1.1 字节操作类指令	16-17
2.3.1.2 位操作类指令	17-18
2.3.1.3 立即数操作类指令和控制类指令	18
2.3.2 寻址方式	18-19
2.3.3 数据传递与外部关系	19-21
第三章 RISC 结构8 位单片机的模块设计	21-72
3.1 节拍信号发生器（SGEN）	21-22
3.1.1 节拍信号发生器工作原理	21
3.1.2 节拍信号发生器的设计与仿真	21-22
3.2 程序存储器（ROM）	22-24
3.2.1 程序存储器工作原理	22-23
3.2.2 程序存储器的设计与仿真	23-24
3.3 指令译码器（IDEC）	24-28
3.3.1 指令译码器工作原理	24-26
3.3.2 指令译码器的设计	26-28
3.4 控制器（CONTROLLER）	28-30
3.4.1 控制器工作原理	28-29
3.4.2 控制器的设计与仿真	29-30
3.5 地址多址器（ADDRX）	30-33
3.5.1 地址多址器工作原理	30-31
3.5.2 地址多址器的设计与仿真	31-33
3.6 数据存储器（RAM）	33-35
3.6.1 数据存储器工作原理	33-34
3.6.2 数据存储器的设计与仿真	34-35
3.7 算术逻辑单元（ALU）	35-42
3.7.1 算术逻辑单元工作原理	35-38
3.7.2 算术逻辑单元的设计与仿真	38-39
3.7.3 方案对比	39-40
3.7.4 非算数逻辑运算指令分析	40-42
3.7.4.1 MOVF、MOVLW、RETLW	40-41
3.7.4.2 MOVWF	41
3.7.4.3 RLF、RRF、SWAPF	41
3.7.4.4 CLRF 、CLRW	41-42
3.7.4.5 CLRWDT 、 SLEEP 、 NOP 、 RETFIE 、RETURN	42
3.7.4.6 GOTO、CALL	42
3.8 程序状态字（PSW）	42-44
3.8.1 程序状态字电路工作原理	42-44
3.8.1.1 进位标志C	42-43
3.8.1.2 辅助进位标志DC	43
3.8.1.3 零标志Z	43
3.8.1.4 低功耗标志PDb	43
3.8.1.5 监视定时器溢出标志TOb	43
3.8.1.6 页面选择控制位RP0	43-44
3.8.2 程序状态字电路的设计与仿真	44
3.9 程序计数器（PCNT）	44-48
3.9.1 程序计数器工作原理	45-47
3.9.1.1 普通指令PC 加1 过程	45
3.9.1.2 GOTO、CALL 指令	45-46
3.9.13 中断及返回	46
3.9.1.4 修改PC 低八位指针值但非CALL、GOTO 指令	46-47
3.9.2 程序计数器的设计与仿真	47-48
3.10 监视定时器（Watch Dog Timer）	48-49
3.10.1 看门狗电路工作原理	48-49
3.10.2 看门狗电路的设计与仿真	49
3.11 定时计数器0（TMR0）	49-57
3.11.1 定时计数器0 工作原理	49-57
3.11.1.1 {T0CS、PSA}为01B	52-54
3.11.1.2 {T0CS、PSA}为00B	54-55
3.11.1.3 {T0CS、PSA}为10B	55-56
3.11.1.4 {T0CS、PSA}为11B	56-57
3.11.2 定时计数器0 的设计与仿真	57
3.12 端口A（PORTA）	57-58
3.12.1 端口A 工作原理	57-58
3.12.2 端口A 的设计与仿真	58
3.13 端口B（PORTB）	58-59
3.13.1 端口B 的工作原理、设计与仿真	58-59
3.14 比较器控制器（COMPARATOR）	59-64
3.14.1 比较器控制器工作原理	59-64
3.14.1.1 比较器工作模式	60-62
3.14.1.2 比较器参考源	62
3.14.1.3 比较器输出	62
3.14.1.4 比较器中断	62-63
3.14.1.5 SLEEP 期间运行	63-64
3.14.2 比较器的设计与仿真	64
3.15 时钟选择及复位系统（CLKSEL%26RST）	64-67
3.15.1 时钟选择及复位系统工作原理	64-66
3.15.2 时钟选择及复位控制电路的设计与仿真	66-67
3.16 中断系统（INTERRUPT）	67-72
3.16.1 中断系统工作原理	67-69
3.16.2 中断系统设计与仿真	69-72
第四章 RISC 结构8 位单片机的逻辑综合	72-76
4.1 关于逻辑综合的介绍	72
4.2 Design Compiler 简介	72-75
4.1.1 Design Compiler 用户界面	72-73
4.1.2 Design Compiler 的综合环境	73
4.1.3 Design Compiler 的库要求	73-74
4.1.4 Design Compiler 的综合流程	74-75
4.3 RISC 结构8 位单片机的综合	75-76
第五章 RISC 结构8 位单片机的系统仿真	76-79
5.1 仿真介绍	76
5.2 RISC 结构8 位单片机的系统仿真	76-79
第六章总结	79-80
参考文献	80-82
攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况	82-83
一、攻读硕士学位期间发表的论文	82
二、参加科研情况	82-83
致谢	83

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.364290



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