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)技術改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結構的簡單微控制器到現(xiàn)在普遍采用哈佛總線結構的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展 。
8位微控制器是目前應用數(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的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA和SOC技術的不斷競爭和融合，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，人們一直在開發(fā)適合于不同嵌入式系統(tǒng)應用的MCU新產(chǎn)品。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構和流水線結構。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。流水線結構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。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不斷地進行優(yōu)化和改善，尤其是流水線結構的改進最為多見。本文正是在這種形勢下提出的，主要討論RISC體系架構的8位微控制器產(chǎn)品的設計技術。
3.RISC微處理器的結構特征和設計原則
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結構都有一些共性：(1)采用哈佛總線結構，大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成以便于實現(xiàn)結構流水化;(2)采用獨立且簡單的裝載/存儲結構;(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鍵技術進行了探討研究。
