摘　要： 在8位MCU" title="MCU">MCU IP" title="IP">IP核設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)通道" title="數(shù)據(jù)通道">數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一,。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,，提出了一種特定的層次化數(shù)據(jù)通道模型。該數(shù)據(jù)通道模型由整齊的時(shí)鐘節(jié)拍控制數(shù)據(jù)通道的開啟,，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的各層子數(shù)據(jù)通道的選通,，有效地避免了內(nèi)部數(shù)據(jù)總線讀寫沖突,，規(guī)范了設(shè)計(jì)，降低了功耗,，縮短了設(shè)計(jì)周期,。
　　關(guān)鍵詞： MCU IP 數(shù)據(jù)通道 Verilog HDL

　　隨著IC產(chǎn)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(yīng)用于工業(yè)控制,、機(jī)械設(shè)備,、家用電器以及汽車等各個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的MCU IP核與Microchip公司的PIC16C57完全兼容^[1],。MCU IP核采用哈佛結(jié)構(gòu),，內(nèi)部單元可簡(jiǎn)化為時(shí)序控制和數(shù)據(jù)通道兩部分。時(shí)序控制部分為數(shù)據(jù)通道提供控制信號(hào),，控制數(shù)據(jù)流動(dòng)方向以及數(shù)據(jù)通路的選擇,，它是IP核的指揮中心；數(shù)據(jù)通道部分在控制部分的控制下,，具體實(shí)現(xiàn)MCU IP核的指令功能,，它是影響MCU性能、功耗等因素的關(guān)鍵,，是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。
　　本文在設(shè)計(jì)該款MCU IP核的數(shù)據(jù)通道部分過程中，提出了一種特定的數(shù)據(jù)通道模型,；最后,，通過對(duì)整個(gè)MCU IP核仿真綜合，對(duì)該數(shù)據(jù)通道模型進(jìn)行了驗(yàn)證,。
1 數(shù)據(jù)通道模型及數(shù)據(jù)總線Verilog HDL" title="Verilog HDL">Verilog HDL模型
1.1數(shù)據(jù)通道模型結(jié)構(gòu)圖
　　本文設(shè)計(jì)的MCU數(shù)據(jù)通道模型包含各數(shù)據(jù)通道單元及單條雙向數(shù)據(jù)總線,。其中數(shù)據(jù)通道單元主要由特殊功能寄存器、通用寄存器及運(yùn)算單元ALU等電路組成,，每個(gè)通道單元還可再分為多個(gè)子通道單元,。數(shù)據(jù)通道頂層模型如圖1所示，數(shù)據(jù)主要在數(shù)據(jù)總線及各數(shù)據(jù)通道單元中流動(dòng),，由一條雙向數(shù)據(jù)總線完成每個(gè)數(shù)據(jù)組元的讀寫操作,，充當(dāng)每個(gè)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(jù)的讀寫操作,。該數(shù)據(jù)通道模型的最大特點(diǎn)為：通過n個(gè)子通道選擇信號(hào),，各數(shù)據(jù)通道單元內(nèi)部可再分為n個(gè)子數(shù)據(jù)通道，由1/n譯碼器實(shí)現(xiàn)每一個(gè)時(shí)刻只有一條子通道選通,。上層的數(shù)據(jù)通道控制信號(hào)仍然有效,，作為子層數(shù)據(jù)通道的公共開關(guān)^[2],。依次類推，該數(shù)據(jù)通道模型可以是多層的,。數(shù)據(jù)通道層次模型如圖2所示,。

　　數(shù)據(jù)通道模型內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)在時(shí)間軸上是時(shí)刻向前的，而數(shù)據(jù)流動(dòng)的軌跡則呈現(xiàn)為相互環(huán)繞的螺旋形,。
1.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的Verilog HDL模型
　　數(shù)據(jù)通道模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)總線分別由三態(tài)門和多路選擇器實(shí)現(xiàn)讀寫操作,，使用特定的硬件描述語言Verilog HDL代碼模型進(jìn)行描述。對(duì)于掛接n個(gè)數(shù)據(jù)通道單元的m位數(shù)據(jù)通道內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,，讀,、寫兩種操作的Verilog HDL代碼模型分別表示如下^[3]：
　　(1)數(shù)據(jù)總線讀操作代碼模型
　　wire [m-1:0] anout;
　　assign anout=controln?dbus:{m’{1’bz}};
　　……
　　其中，anout[m-1:0]是n個(gè)數(shù)據(jù)通道單元n的輸出數(shù)據(jù),，controln是第n個(gè)數(shù)據(jù)通道單元的寫操作控制信號(hào),，dbus[m-1]是m位數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)。
　　(2) 數(shù)據(jù)總線的寫操作代碼模型
　　wire [m-1:0] dbus;
　　assign dbus=sel1,？a1out:
　　sel2,？a2out:
　　......
　　seln？anout;
　　其中,，dbus[m-1]是m位數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù),；a1out，a2out......anout是數(shù)據(jù)通道單元輸出數(shù)據(jù),；sel1,sel2......seln是數(shù)據(jù)單元選通條件。
2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　本文以數(shù)據(jù)通道單元ALU為例介紹數(shù)據(jù)通道模型的層次結(jié)構(gòu),。ALU是MCU IP核的運(yùn)算單元,，是數(shù)據(jù)的加工處理部件，是數(shù)據(jù)通道中最特殊的數(shù)據(jù)通道單元,。它實(shí)現(xiàn)加,、減、與,、或,、異或、非,、左移,、右移、半字節(jié)交換等九種運(yùn)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(duì)于雙操作數(shù)操作,，ALU數(shù)據(jù)通道單元一邊采用兩條兩個(gè)源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道,，另一邊采用一條目標(biāo)操作數(shù)數(shù)據(jù)通道,；而單操作數(shù)操作僅需開啟一條源操作數(shù)數(shù)據(jù)通道。
　　本文的ALU采用低功耗設(shè)計(jì),。通過控制部分譯碼得出ALU主要實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)算：算術(shù)運(yùn)算,、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算以及半字節(jié)交換運(yùn)算,。本文通過加,、減操作復(fù)用一個(gè)8位超前進(jìn)位加法器，將ALU模塊分為8個(gè)運(yùn)算單元,，構(gòu)成8個(gè)子數(shù)據(jù)通道,。通過對(duì)ALU子數(shù)據(jù)通道選通信號(hào)aluop[2：0]進(jìn)行譯碼對(duì)8條子通道進(jìn)行選通，如表1所示,。在系統(tǒng)復(fù)位或者不工作時(shí),，各運(yùn)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(gè)子數(shù)據(jù)通道始終只有一條子數(shù)據(jù)通道處于選通工作狀態(tài),。不同類的指令對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)通道，把對(duì)ALU運(yùn)算的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)ALU內(nèi)子數(shù)據(jù)通道的選擇,，降低了ALU整體功耗^[4],。
　　一般來說，數(shù)據(jù)通道的選通由選通信號(hào)控制,，而數(shù)據(jù)通道的開啟必須由整個(gè)MCU IP核控制部分產(chǎn)生的四相不重疊時(shí)鐘節(jié)拍控制,，分別為clk1、clk2,、clk3,、clk4。時(shí)鐘節(jié)拍不參與數(shù)據(jù)通道的選擇,，所起作用只是數(shù)據(jù)通道的開啟,。數(shù)據(jù)通道內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)是有方向的，本文中數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向性體現(xiàn)為不同時(shí)鐘節(jié)拍控制的不同數(shù)據(jù)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(shí)取出指令,，產(chǎn)生控制信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)通道操作,；在clk2時(shí),，在存儲(chǔ)單元中選擇源操作數(shù)寫入數(shù)據(jù)總線，開啟ALU運(yùn)算單元的源操作數(shù)alu_xbus_a[7:0]數(shù)據(jù)通道，此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU源總線,；在clk3時(shí),，根據(jù)ALU模塊子通道選通信號(hào)aluop[3:0]選擇ALU功能模塊SWAP，開啟源操作數(shù)進(jìn)入ALU進(jìn)行半字節(jié)交換運(yùn)算的數(shù)據(jù)通道,；在clk4時(shí),，將ALU運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果aluout[7:0]通過數(shù)據(jù)總線寫入到各目的數(shù)據(jù)通道單元中，即開啟目的操作數(shù)數(shù)據(jù)通道,，此時(shí)內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線充當(dāng)ALU目的總線,。

　　需要說明的是，圖3中數(shù)據(jù)databus[7:0]來自數(shù)據(jù)總線,，由數(shù)據(jù)通道單元特殊功能寄存器和通用寄存器提供數(shù)據(jù),。其中特殊功能寄存器包括F0間址寄存器、F1實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)寄存器RTCC,、F2程序計(jì)數(shù)器PC,，F(xiàn)3狀態(tài)計(jì)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(jù)通道,，子通道選通信號(hào)為fsel[2:0],而上層數(shù)據(jù)通道開關(guān)控制信號(hào)為rf_spr_re、rf_spr_we,，即特殊功能寄存器讀寫控制信號(hào),。其具體實(shí)現(xiàn)與ALU數(shù)據(jù)通道單元類似，這里不再贅述,。
　　在該款MCU IP核數(shù)據(jù)通道模型中,，數(shù)據(jù)總線全部采用本文所述的Verilog HDL代碼模型描述?；谥行膰?guó)際SMIC 0.35μm工藝庫(工作電壓為3伏)，使用Synopsys公司VCS和 DC對(duì)該款MCU IP核進(jìn)行了仿真綜合,，并進(jìn)行了功耗分析,。綜合分析結(jié)果得出，該數(shù)據(jù)通道電路結(jié)構(gòu)規(guī)整,，設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化,，總體功耗約為49.5980mW，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì),。
　　本文使用固定電路結(jié)構(gòu)描述內(nèi)部數(shù)據(jù)總線,，通過特定層次化數(shù)據(jù)通道模型的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了自頂向下(Top-Down)的設(shè)計(jì)方法,，降低了整個(gè)MCU IP 核設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,，縮短了設(shè)計(jì)周期,。該設(shè)計(jì)適用于大規(guī)模系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)。
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