16位微控制器的设计与实现

2 MCU设计与实现

2．1 MCU工作原理

A8096通过IPU(指令预取单元)指令预取，并存放在预取指令队列中，CU(控制单元)从IPU指令队列中取指并进行译码，产生控制时序等信号。ALU单元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有译码模块，依据当前指令和当前指令周期主动工作。如：RAM控制器在加法指令的相应周期取操作数送往ALU单元，ALU在相应周期接收数据，然后进行运算并将结果输出。

2．2 MCU启动过程

在上电复位时，MCU处于复位态(rst信号有效)。复位时，IPU单元中的指令队列清空(empty信号有效)，总线处于空闲态，IPU立刻进行指令预取动作，程序空间的首地址(2080H)指令即被取人指令队列，随后队列空信号(empty)无效，同时指令被发送出去(instr_bus)。在复位同时，控制单元(CU)的取指信号(codefetche)即一直有效，在指令队列空信号empty无效后(在empty无效之前CU一直等待)，指令即通过instr_ bus进入了CU，指令操作码被存入了指令寄存器，如图3中instr寄存器更新为加法指令的操作码74。至此，MCU完成了复位、自动取指操作，并开始往下执行该指令，IPU单元也会继续进行指令预取操作。

2．3 指令执行过程

在A8096中，有两级指令预取概念：一级是指令预单元IPU利用总线空闲从程序空间不断预取指令存入指令队列中；一级则是指令执行过程中的指令预取，当一条指令执行到最后一个时钟周期时，CU单元就会发送取指信号，进行指令执行级的预取指动作，下一条指令的操作码即被预取出来(指令队列为空时需等待)，并立刻进行译码确定指令的字节长度和指令执行周期数。

如图4所示，在加法指令的最后一个周期(cycle=05)，CU单元取指信号codefetche有效，则下一条指令的操作码(6C，乘法操作码)被预取出来，同时进行查表译码确定其指令字节长度和指令周期数，随后操作码被存入指令寄存器instr中(此时，指令周期计数器cycle又从01开始计数)。后面乘法指令的操作数也会不断被取进来执行，直到乘法指令最后一个周期时，又将下一条指令的操作码预取进来。

需要说明：codefetche为取操作码信号，datafetche为取操作数信号。在指令最后一个周期时若有中断请求，则插入LCALL指令进行中断处理，读取下一条指令。其流程如图5所示。

2．4 指令译码过程

在MCU设计过程中，首先完成对各条指令的指令分析工作，确定每个周期该做的动作，然后各部件依据指令分析表进行相关的指令译码(RAM控制器只译RAM要做的动作，ALU只译ALU要做的动作)。过程描述如下：在预取操作码时，CU单元对操作码进行译码确定指令的字节长度(nr_bytes)和指令周期数(nr_cycles)。然后CU依据指令字节长度(nr_bytes)取操作数，其他部件依据指令和当前指令周期(curcycle)执行相应的指令操作。表1为加法指令分析表，下面以加法指令的译码过程来说明整个译码流程：

作者：刘 丽 刘 第   来源：电子设计工程