1.引言

　　微控制器（Microcontroller）自上世紀70年代出現以來(lái)，在將近30年的時(shí)間里得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應用。隨著(zhù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價(jià)格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于家用電器、計算和外設、通訊、工業(yè)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能化設備以及儀器儀表等領(lǐng)域，成為科研、教學(xué)、工業(yè)技術(shù)改造最得力的工具。從最初采用普林斯頓結構的簡(jiǎn)單微控制器到現在普遍采用哈佛總線(xiàn)結構的RISC微控制器，微控制器取得了飛速的發(fā)展。

　　8位微控制器目前應用數量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市場(chǎng)；其市場(chǎng)及價(jià)格競爭都極為激烈，各種多功能需求以及不同規格的產(chǎn)品推陳出新的速度也極為快速。隨著(zhù)集成電路和半導體工藝技術(shù)的快速發(fā)展，FPGA和SOC技術(shù)的不斷競爭和融合，電子產(chǎn)品的設計逐漸向系統性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、開(kāi)發(fā)更容易的方向發(fā)展。因此，迅速推出符合市場(chǎng)需求的高性?xún)r(jià)比、低功耗、高經(jīng)濟效益的8位微控制器芯片或IP Core成為了現今不少公司競爭相逐的熱點(diǎn)。

　　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(chǎng)家MCU的性?xún)r(jià)比，而且還需要考慮不同指令系統下MCU應用特點(diǎn)。針對不斷涌現出來(lái)的新的智能化電子產(chǎn)品，們一直在開(kāi)發(fā)適合于不同嵌入式系統應用的MCU新產(chǎn)品[2].不同廠(chǎng)家的MCU產(chǎn)品其指令集各不相同，特別是指令集系統架構的不同，如市場(chǎng)上廣泛應用的MCS51系列和PIC系列微控制器則分別采用CISC指令系統和RISC指令系統。

　　微控制器按照指令系統可以分為CISC、RISC、類(lèi)RISC（RISC-LIKE）等幾種。傳統的MCS51控制器屬于CISC型，其代碼密度高，但大多數指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期完成。RISC型一般指令密度較低，但指令效率很高。類(lèi)RISC型則兼有CISC和RISC的優(yōu)點(diǎn)。RISC和類(lèi)RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集帶來(lái)的硬布線(xiàn)結構和流水線(xiàn)結構。簡(jiǎn)單的指令集可以用硬布線(xiàn)進(jìn)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(xiàn)結構將指令分成幾步完成，在流水線(xiàn)填滿(mǎn)工作時(shí)，每條指令的平均執行時(shí)間（CPI）在1個(gè)時(shí)鐘周期左右[3].一般來(lái)說(shuō)，RISC比同等的CISC要快50%——70%，同時(shí)更容易設計和糾錯。

　　因此，目前對8位微控制器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研究設計主要是以兼容市場(chǎng)上已被客戶(hù)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(chǎng)競爭和技術(shù)發(fā)展。對于原先為CISC指令系統的微控制器產(chǎn)品，在層出不窮的更新系列中已經(jīng)漸漸的融合進(jìn)了RISC思想；對于采用RISC指令系統的微控制器來(lái)說(shuō)，更多的做法仍然是針對高性能低功耗的需求對其整個(gè)體系架構不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其是流水線(xiàn)結構的改進(jìn)最為多見(jiàn)。本文正是在種形勢下提出的，主要討論RISC體系架構的8位微控制器產(chǎn)品的設計技術(shù)。

　　3.RISC微處理器的結構特征和設計原則

　　雖然現在業(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(xiàn)結構，大多數指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成以便于實(shí)現結構流水化；（2）采用獨立且簡(jiǎn)單的裝載/存儲結構；（3）指令解碼通常都是硬連線(xiàn)實(shí)現而不是微解碼，以便加快執行速度；（4）多數指令具有固定格式，以簡(jiǎn)化指令編碼和譯碼；（5）較小的指令集和少數幾種尋址模式；（6）數據通道流水線(xiàn)化，使處理過(guò)程高度并行；（7）采用大容量高速寄存器堆（或稱(chēng)為寄存器文件），盡量避免與速度較低的系統RAM交換數據。盡量將運算數據存放在寄存器中，從而減少訪(fǎng)問(wèn)內存的次數。根據以上的討論，下文重點(diǎn)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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究。

　　4.關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 RISC指令集的選取

　　控制器系統的使用跟軟件編程與硬件設計之間的規格接口密切相關(guān)，這個(gè)接口就是微控制器的指令集。指令體系結構（ISA）是進(jìn)行微處理器軟硬件協(xié)同設計的前提。指令集必須完備，使所有可計算的功能都在合理的程序空間內得以實(shí)現；而且指令集又必須是高效的，以便使常用的功能可以用相對少的指令實(shí)現。因此，提供給應用軟件開(kāi)發(fā)的微控制器系統必須有一個(gè)完備而高效的指令集。

　　指令集直接決定微控制器的內部硬件結構，同時(shí)也是用戶(hù)程序編譯生成目標代碼的依據。指令集的最終確定與整個(gè)系統所需的程序存儲器、數據存儲器、寄存器變量及存儲器尋址方式密切相關(guān)且相互制約。各個(gè)部件乃至具體的字節都應該有唯一的地址，以便指令集能夠正確對各個(gè)部件或字節進(jìn)行辨認操作。因此也就有了相應的一系列針對不同產(chǎn)品的不同措施： 1）從所需要的地址度和相應增加的寄存器來(lái)權衡指令的長(cháng)度；2）對指令進(jìn)行分類(lèi)并分別確定各類(lèi)的指令字節格式，以簡(jiǎn)化操作控制信號的譯碼邏輯；3）增加相應的寄存器以彌補指令字節長(cháng)度的不足；4）指令字節格式分配應考慮到相應部件的結構復雜度及對應的尋址方式；5）存儲器、寄存器、I/O口是否統一尋址。以上所列舉的并不詳盡也無(wú)先后順序之分，應該同時(shí)進(jìn)行分析。相應的措施所對應的性能、功耗、設計復雜度各不一樣，應統一考慮。

　　對ISA進(jìn)行功耗分析應該從指令代碼容量和指令執行效率兩方面考慮。指令集大小、寄存器變量、存儲器尋址方式、流水線(xiàn)結構等技術(shù)的選定都和指令代碼密度有緊密聯(lián)系。研究發(fā)現，在RISC的精簡(jiǎn)指令集中適當增加一些特定的復雜指令不失為提高代碼密度、保證處理器高性能、低功耗的可行方法。因此能夠產(chǎn)生高指令代碼密度的指令集無(wú)疑是RISC低功耗設計的首選。

　　4.2 具有共享區的寄存器堆的分頁(yè)設計

　　RISC設計思想的最主要特點(diǎn)是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器——寄存器操作的指令進(jìn)行數據傳送，加快了速度，而且還簡(jiǎn)化了指令控制邏輯，縮小了硬布線(xiàn)邏輯構成的控制部件的芯片面積。

　　在指令中固定寄存器地址的位數必然限制寄存器的數量，但是引入高端處理器的分段、分頁(yè)的設計思想就可以擴展尋址的范圍。分段、分頁(yè)的設計思想的根本出發(fā)點(diǎn)在于將存儲器的線(xiàn)性地址分解成二維或多維地址；在指令中只表達最低維地址，而使用其它設施（如段號寄存器、頁(yè)號寄存器）用來(lái)存放高維地址。一般將寄存器堆分成若干個(gè)頁(yè)，每個(gè)頁(yè)有固定的大小，在指令中只使用寄存器的頁(yè)內地址。在系統專(zhuān)用寄存器中設置一個(gè)頁(yè)號寄存器，通過(guò)改變其內容來(lái)切換對不同頁(yè)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。

　　為克服單純分頁(yè)機制中的各種缺陷，通常采用具有共享區的分頁(yè)設計，這樣不僅減少了指令中寄存器邏輯地址的位數，而且在任何時(shí)候都能夠訪(fǎng)問(wèn)系統寄存器，同時(shí)便于不同頁(yè)寄存器之間通過(guò)共享區中的通用寄存器交換信息。當然還得有相應的邏輯地址到物理地址的映射的方法措施。

　　4.3 程序空間的分頁(yè)設計

　　由于和寄存器堆同樣的原因，在指令中若采用完整的程序空間地址，也會(huì )局限程序空間的大小，所以對程序空間通常也采用了分頁(yè)的設計思想，同時(shí)在不同頁(yè)內設置了公共程序區（若指令長(cháng)度完全符合程序空間地址的要求，則無(wú)需此思想），其設計思想類(lèi)同于具有共享區的寄存器分頁(yè)設計，在此不再贅述。唯一與寄存器公共區不同的是：程序公共區是為程序在不同頁(yè)之間跳轉提供平臺。

　　4.4 流水線(xiàn)技術(shù)

　　流水線(xiàn)設計與8位RISC微控制器體系架構密不可分，是整個(gè)系統的設計核心，它的選用優(yōu)劣直接影響到系統的性能和功耗。

　　流水線(xiàn)技術(shù)能最大限度地利用了微控制器資源，使每個(gè)部件在每個(gè)時(shí)鐘周期都工作，大大提高了效率，但由于流水線(xiàn)的各個(gè)段之間存在很強的依賴(lài)關(guān)系。如果處理不當， 指令的運行將達不到預期的結果，因此必須熟知流水線(xiàn)的相關(guān)和轉移問(wèn)題。其一為資源沖突， 即同一時(shí)間內爭用同一功能部件， 一般為同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)存儲器， 這就需要停頓一拍流水線(xiàn)； 其二為數據相關(guān)沖突， 有三種類(lèi)型： RAW、WAR、WAW ， 解決該沖突使用內部直通結構或者延遲一拍流水線(xiàn)； 其三為控制轉移沖突， 即對于條件跳轉指令， 根據運算結果判斷是否跳轉， 才能確定新的PC值， 運算結果是在執行階段后獲得， 這使流水線(xiàn)喪失很多的性能， 一般采用增加硬件預先獲得運算結果解決該沖突。

　　越是長(cháng)的流水線(xiàn)，相關(guān)和轉移兩大問(wèn)題也越嚴重：一方面導致硬件控制電路復雜程度大大增加， 另一方面， 由于流水線(xiàn)節拍的停頓， 導致CPI值的增大及系統性能的下降。所以，流水線(xiàn)并不是越長(cháng)越好，找到一個(gè)速度與效率的平衡點(diǎn)才是最重要的。

　　在8位RISC微控制器的流水線(xiàn)設計中，存在很多種方案。不同方案所對應的面積、速度與功耗各不相同。具體的選用則應該從多個(gè)方面融合考慮。首先應該由系統的工作速率要求和流水線(xiàn)級數、深度推導出多種具體的流水線(xiàn)結構方案及其所需要的嚴格時(shí)序；然后從系統的功耗、面積、性能及由流水線(xiàn)相關(guān)和轉移問(wèn)題引起的設計復雜度等方面考慮出發(fā)，判斷各方案的優(yōu)劣；最后折衷選擇符合的最優(yōu)方案。

　　4.5 低功耗技術(shù)

　　隨著(zhù)半導體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路進(jìn)入深亞微米階段，微處理器的時(shí)鐘頻率和芯片集成度不斷提高，功耗已在很多設計領(lǐng)域成為了首要關(guān)注的問(wèn)題，這點(diǎn)最為突出的即是高性能微處理器和便攜電子設備產(chǎn)品。

　　在根據系統功能說(shuō)明進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計、確定指令體系結構時(shí)，不同的設計出發(fā)點(diǎn)所導致的設計功耗結果差別會(huì )很大。因此整個(gè)體系架構的確定無(wú)疑是低功耗問(wèn)題應該考慮的首要問(wèn)題，主要體現以下幾個(gè)方面：1）盡可能根據功能需求優(yōu)化指令集，簡(jiǎn)化系統的譯碼單元和執行單元；2）通過(guò)開(kāi)發(fā)硬件的并行性以及功能單元的流水執行來(lái)實(shí)現低功耗的結構；3）合理設置確定存儲器、寄存器的容量，減少所需的總線(xiàn)數目；4）系統硬件的各個(gè)子模塊劃分以及軟件上設置不同的工作狀態(tài)對功耗的優(yōu)化非常重要。

　　5.結束語(yǔ)

　　在微控制器應用領(lǐng)域日益廣泛的今天，對微控制器提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、價(jià)格低廉、易學(xué)易用以及組成系統時(shí)的外圍器件更少。因此，對目前應用數量最廣的8位微控制器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設計研究顯得尤為重要。又體系結構設計是整個(gè)設計關(guān)鍵之關(guān)鍵，其后的所有工作，都是依賴(lài)于所設計的體系結構來(lái)進(jìn)行的。本文就此對8位RISC體系架構中采用的關(guān)鍵技術(shù)所應該考慮的問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討，具有一定的研究?jì)r(jià)值和意義。