一种基于ＣＩＳＣ结构的微处理器结构制造技术

本发明专利技术是一种微处理器构架及其实现方式，其简化了ＣＩＳＣ微处理器庞杂的指令集，内部指令实现方式做了改进，数据线和指令线分离，使指令处理的速度加快，在一定程度上弥补了ＣＩＳＣ微处理器指令集庞大、执行效率低的缺点。指令集共有１５１条指令，支持常见典型各类指令，包括数据传送交换、算术逻辑运算、比较、乘除法、移位、循环、半字节操作、位操作、跳转、调用返回、进栈退栈、软中断以及空操作类指令。同时，本发明专利技术的微处理器可配置适当的外围资源，其端口多，资源丰富，适用于实时控制各类嵌入式、ＳＯＣ系统，具有高速、高性能、低功耗、低噪声等特性，抗干扰能力强，是一款适用于家电、民用通信等消费类电子产品的微控制器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体集成电路设计领域的微控制器(MCU)，尤其是涉及执行复杂指令集的基于CISC结构的微控制器。
技术介绍
目前微控制器(MCU)一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM/EEPROM/FlashROM/、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、LCD驱动、UART、I2C等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配。微控制器的最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于各种应用。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，较有代表性的通用系统包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。 在MCU开发方面，以架构而言，可分为两大主流；RISC和CISC。RISC指令集组成比较简单，相对指令执行速度较快，但完成一项任务可能需要多条指令组合而成，针对较复杂组合的工作便需要占用较多的编译器时间来执行，其总线结构为哈佛型。 CISC的总线结构是冯·诺依曼型，计算机在同一个存储空间取指令和数据，数据线和指令线分时复用。在流水线结构方面，取指和执行采用单指令流水线结构，它的指令集丰富，功能强大。 CISC体系是一种为了便于编程和提高内存访问效率而设计的体系。其主要特征是使用微代码操作和具有丰富的指令集，便于设计新的处理器，能有效缩短新指令的微代码设计时间。其丰富的指令集便于应用工程师的编程使用。具有双操作数格式、寄存器到寄存器、寄存器到内存以及内存到寄存器等的指令，寻址方式灵活。 属于CISC结构的单片机主要有Intel的MCS-51系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如大家电、通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机 在8位CISC微控制器芯片领域，标准体系架构都是连续型的执行，传统的CISC占据了较大的市场份额，CISC大多有繁杂的指令集，运行效率较低，指令可扩展性较差，应用复杂等缺点，难以满足越来越快速的通信需求。 CISC单片机主要缺点在于①指令集庞杂，多数指令的利用率不高。②不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，每条指令要通过执行一段解释性微程序才能完成，需占用较多的CPU时间，执行效率不是很高。③由于指令庞大，使编译程序选择目标指令的范围很大，不便优化编译。④强调数据控制，导致设计复杂，研制周期长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新型的基于CISC的微处理器构架及指令实现方式，其在传统CISC的基础上做了改进，提出一种有效的系统构架，提高了指令运行效率。支持151条基本指令，采用单级四段流水线，运行效率提高，指令组合方便，可满足各类嵌入式实时控制和通信的要求。 根据本专利技术的第一方面的基于CISC结构的微控制器，该微控制器核包括程序存储器，数据随机存储器，特殊功能寄存器堆，数据总线和地址总线，流水线指令结构，数据缓冲区，通用算术逻辑单元，指令读取及译码器和系统控制模块，其中，所述的数据总线分为各自分离的的8位内部数据总线和8位程序数据总线，所述的系统控制模块用于产生系统时钟、系统复位以及各种读写控制电路，所述的单级四段流水线指令处理结构分为4个部分，首先是指令读取及译码电路，即所述的指令读取及译码器通过上述8位程序数据总线从程序存储器读入指令，并对指令进行译码分解；然后通过控制电路根据译码结果读取寄存器或者存储器的内容；再通过算术逻辑单元进行运算；之后对运算的结果存入寄存器或者数据存储器单元；当执行调用、返回等指令时，会对程序指针进行压栈和出栈操作，当执行跳转等指令时，有指针偏移操作，同时在每读下一字节指令时，会对PC有加1的操作。 根据本专利技术的第二方面的基于CISC结构的微控制器，其特征在于所述的数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、特殊功能寄存器和数据缓冲区域是空间独立的，利用地址映射电路将它们的地址映射在连续的空间上，并可扩展。 根据本专利技术的第三方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，其特征在于该微控制器的指令集共有151条基本指令，该微控制器支持各类常见的微处理器指令，包括数据传送交换、算术逻辑运算、比较、乘除法、移位循环、半字节操作、位操作、跳转、调用返回、进栈退栈、软中断以及空操作类指令，指令执行周期最短的1个工作周期，最长的10个工作周期，指令可以进行相应的扩展。 根据本专利技术的第四方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，其特征在于所述的指令集包括25条数据传送指令，每条指令有其唯一的操作码识别，指令实现将源地址的数据传送到目的地址中，由于源地址和目的地址可以是多种寻址方式，使得每条指令包含1-4个字节不等的指令编码，产生一类控制信号控制完成1)控制有关寄存器将数据传送至ALU(2)控制ALU完成地址的计算(3)控制从源地址提取数据(4)控制数据写入目的地址。 根据本专利技术的第五方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，其特征在于所述的指令集还包括10条比较指令，每条指令有其唯一的操作码识别，指令实现将源地址的数据与目的地址的数据进行比较，每条指令包含1-4个字节不等的指令编码，产生一类控制信号控制完成(1)控制有关寄存器将地址数据传送至ALU(2)控制ALU完成地址的计算(3)控制从源地址和目的地址提取数据传送至ALU(4)控制ALU执行减法操作(5)控制将减法的结果设置标志寄存器。 根据本专利技术的第六方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，其特征在于所述的指令集还包括50条算术逻辑运算指令，每条指令有其唯一的操作码识别，指令实现将源地址的数据与目的地址的数据进行算术或逻辑运算，每条指令包含1-4个字节不等的指令编码，产生一类控制信号控制完成(1)控制有关寄存器将地址数据传送至ALU(2)控制ALU完成地址的计算(3)控制从源地址和目的地址提取数据传送至ALU(4)控制ALU执行指令要求的算术逻辑操作(5)控制将运算的结果写入目的寄存器。 根据本专利技术的第七方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，，其特征在于所述的指令集还包括2条十进制调整指令，每条指令有其唯一的操作码识别，根据不同的寻址方式，产生控制信号，指令实现将寄存器中的16进制结果进行十进制调整，产生BCD码，调整后的结果仍回写到寄存器p。 根据本专利技术的第八方面的基于CISC结构的微控制器的指令实现方式，其特征在于所述的指令集还包括2条乘除法指令，每条指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＣＩＳＣ结构的微控制器构架，包括：程序存储器、数据随机存储器、特殊功能寄存器堆、数据总线和地址总线、数据缓冲区、流水线指令结构、通用算术逻辑单元、寄存器或者数据存储器单元、指令读取及译码器和系统控制模块，所述数据总线分为各自分离的８位内部数据总线和８位程序数据总线，所述系统控制模块用于产生系统时钟及各种读写控制电路，其特征在于，所述流水线指令结构为单级四段流水线指令结构，该单级四段流水线指令结构分为四个部分：指令读取及译码电路，与系统控制模块相连，用于通过所述８位程序数据总线从程序存储器读入指令，并对指令进行译码分解；控制电路，用于根据译码结果读取寄存器或者存储器的内容；算术逻辑单元，与系统控制模块相连，用于对指令读取及译码电路输出的运算类型操作码和控制电路输出的数据内容进行运算；寄存器或者数据存储器单元，用于存储运算结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵启山，
申请(专利权)人：上海海尔集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]