张治[1]2003年在《8位RISC微控制器超大规模集成电路的分析与设计》文中研究说明微控制器的发展已经有二十多年，从8位发展到了16位、32位、64位，已经开发出很多的品种，但是国内市场基本上是国外品牌的天下，我们必须开发有自主知识产权的微控制器。为了尽快赶上国际先进水平，我们需要借鉴和吸收国外成功的设计经验, 否则，芯片的面积和性能很难做到最优，因此VLSI设计中心决定通过正向和逆向结合的方法来设计微控制器。本课题的研究目的是开发与PIC中档微控制器的兼容微控制器。本文作者及其研究小组在一年多的时间里，从版图的电路提取，电路整理，电路分析到电路的设计和仿真，做了大量的工作，深入的分析了PIC16C73B的组成结构和工作原理，完全的破译了PICmicro的指令系统，把握了微控制器的设计思想，设计出了与PIC中档微控制器兼容的微控制器，为开发自我知识产权的微控制器奠定了坚实的基础。本文先简要介绍了计算机指令系统的发展，然后深入分析了微控制器的组成架构以及指令的两级流水，接着详细论述了的各个功能模块的工作原理和电路的设计考虑，通过算术逻辑单元ALU的深入分析来探究了每条指令在MCU中执行情况。为了扩展系统，第五章专门讨论了中断模块的设计和验证。最后通过一个乘法程序的仿真来验证了整个MCU的设计。仿真工具用的是ViewLogic公司的Workview Office 7.5。
李川[2]2008年在《嵌入式微处理器的设计分析与仿真验证》文中研究指明嵌入式微处理器(EMPU,Embedded Microprocessor Unit)以其高性能、低功耗、便携式等优点,越来越广泛地应用于各种电子设备中。其中精简指令集计算机(RISC,Reduced Instruction Set Computer),作为微处理器设计策略的一种类型,已经普遍应用于计算机体系结构设计中。本文首先设计了一个8位RISC处理器,它具有8条指令,可以进行指令译码、指令执行,可以和存储器进行数据交换。数据通过数据通路进行运算处理,控制器提供数据通路各模块的控制信号。使用可综合的寄存器传输级(RTL,RegisterTransfer Level)Verilog HDL硬件描述语言描述每个子模块,在顶层模块中根据端口连接实例化每个子模块,然后使用ModelSim分别对全部子模块和顶层模块进行功能仿真验证,使用QuartusⅡ对设计进行综合,在Altera CycloneⅡEP2C35芯片上实现,工作频率可达120MHz。然后在此基础上,本文对业界广泛使用的ARM7TDMI内核进行了设计分析与验证。ARM7TDMI内核根据执行功能不同,可以划分成数据通路模块和控制器模块两大部分。本文对数据通路的每个模块:桶式移位器、算术逻辑单元、32位布氏乘法器、寄存器堆等做了详细的设计分析,重点讲解了每个模块的工作原理以及如何使用硬件描述语言来实现其功能。接着针对每个模块,编写测试平台,进行功能仿真。最后在FPGA平台上实现,针对不同的综合优化方式,比较电路所消耗的逻辑资源和工作性能,为设计者选择实现方式提供了实验依据。
李丽[3]2002年在《集成电路设计方法及IP设计技术的研究》文中认为集成电路产业日新月异的发展和集成电路设计方法学的不断提高互为因果，是理论与实践互相支持的良好典范。本文研究集成电路设计方法学。第二章研究当代设计方法学的前沿领域：基于平台的设计方法，并提出了一些新观点和新方法。“建库原则”和“自上而下的设计与自下而上的建库是并行的两个设计流程”的概念是其中的重要部分。论文的后续章节围绕着自下而上的“建库”展开来讨论具体的技术问题。集成电路IP(Intellectual Property)库(简称IP库)是研究的对象。IP库由芯核类IP(IP Core)和IP模块(IP Block)组成。第叁章讨论IP Core的设计流程和方法，并具体设计了一个8位MCU。第四章讨论IP Block的设计流程和方法，并具体设计了一个存储器接口电路(SGRAM接口)。上述的MCU和SGRAM接口(STI)都通过了省部级鉴定。STI并被核准为软件产品。本文作者是上述两个项目的主持人。 本文基于以下科研项目撰写： ★国家自然科学基金 “深亚微米超高速多媒体芯片设计理论的研究”(69876010) ★国家863计划 “超大规模集成电路IP核接口及相关设计技术”(863-SOC-Y-3-1) ★国家“九五”重点科技攻关 “MCU高层语言描述及其嵌入技术研究”(97-758-01-53-08) ★国家教育部 “SOC软硬件集成协同设计和验证优化理论和方法研究”(教技司[2001]215) ★国家科技学术着作出版基金 “Verilog与PC机接口电路设计”(99-F-1-011) 论文的主要工作和取得的成果如下： 1、在研究集成电路设计方法学发展历史的基础上，提出了设计的积木化原则和积木元件最大化原则。在考察了积木元件从晶体管、逻辑门、IP发展到现在的系统平台的历史后，提出下一代积木元件将是多系统(MSoC，Multi-SoC)的可能性。 2、提出了基于映射和库的设计思想。在传统设计流程中，综合是典型的映射过程，是高层次的生成物在低一个层次的库中寻找合适的库元件的过程。如果我们建立了IP库和平台库，再加上已有的门级库和版图库，那么整个设计流程就是一个不断的自上而下的映射过程。这个过程的基础是各级库的存在。 3、提出了系统级设计中IP映射与平台映射分离的正交设计概念和方法， 11 合肥工业大学博士学位论文 并据此提出了新的基于平台的设计流程。叁 4、在考察了门级库和版图库的重要历史作用后，讨论了建设IP 库的必要＿， 性，同时也提出平台库的概念，并讨论了建设平台库的必要性。本文把这些思 二想总结为集成电路设计方法学的“建库原则”。8 5、提出了自上而下的系统设计与自下而上的建库是并行操作的概念，并据－此提出并行设计流程的概念。。－－ 6、研究了IP库建设中的IP设计流程，并具体研究芯核类IP—一八位RISC 二微控制器IP软核（HGD08R01）的设计流程和设计方法，并依据VSIA标准对＿2－HGD08R01 IP软核实施了标准化工作。讨论了内部数据总线和硬布线的设计方。5－法，对微控制器类IP软核的设计具有一定的参考意义＊， 7、提出了可配置非幂方分频器算法。它采用一种新的分频方法——一周期插，＿人法，既可以对分频过程（计数过程）进行控制，增加了可配置范围，又对后 ℃分频有很好的支持。” 8、讨论了测试平台的概念，并提出测试平台中测试向量库和自动校验的设＿计方法，为提高IP库元件设计的正确性和可靠性提供了有效途径… 9、提出了“静－动态混合仲裁算法＼ 该算法在“优先级”和“机会均等” 丁的平衡问题上有独到之处。－－ 10、提出了“片上总线。非总线混合结构”。这种结构用于双向总线的接口，电路内侧，可以避兔片上用户等待总线换向的时间，既提高了数据的传输率，一、＿也增加了安全性。t 11、提出了“读操作的设计原则”。读操作中的数据返回时间是无法预知的，人－如何准确地与返回数据同步一直是个重要话题。本文提出的建立独立时钟 二 “mclkrd”的 方法为解诀这个问题提供了一个可供选择的解决方案。Z－＿ 12、制定了接口内侧的片上总线协议，支持 8个片上用户，可以在 64位宽＿＿＿的情况下以 100MB乃的高速率运行。
钟旭恒[4]2002年在《8位RISC MCU软核的设计》文中研究说明HGD08R01 MCU软核是由合肥工业大学微电子设计研究所设计的一种8位的RISC微控制器。这个软核与Microchip公司的PIC16C57兼容，能够广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车工业等领域。 该软核源自于国家“九五”重点科技攻关项目课题：MCU高层语言描述及其嵌入式技术研究。 这个项目遵循了自上而下的设计流程，从系统划分、编写代码、RTL仿真、综合、门级仿真，到布局布线、电气规则检查、设计规则检查，网表比较等。在设计的不同阶段使用了不同的EDA工具，包括Cadence、Synopsys、Avantl、Modelsim、Max-plusⅡ等等。 本文介绍了HGD08R01软核的RISC体系结构、数据通道设计、时序设计以及硬布线控制设计等，同时还介绍了改软核的验证流程与方法。 MCU是嵌入式系统的心脏，由于嵌入式系统的广泛应用，掌握MCU设计技术显得非常重要。这个项目是迈向嵌入式核心技术的第一步，还有更多的工作需要做。
朱健松[5]2005年在《一种基于RISC及DSP双内核集成芯片系统的研究》文中研究指明随着集成电路技术的不断发展,集成芯片系统(SoC)由于具有体积小、工作速度快、功耗低、制作成本低和便于IP核的复用等优点,已经成为集成电路设计的热点之一。一些集成电路设计公司都相继研制出具有自主知识产权的SoC芯片。而在SoC设计中,处理器设计占有相当大的比重。处理器的SoC技术能够明显提高整个系统的工作效率,可以提供很好的成本效益,因而具有广阔的市场前景。 本文主要面向工业控制和低端信号处理领域,研究RISC微处理器和DSP双内核集成芯片系统的设计方法。其中作为主处理器的微处理器采用的是ARM简化后的体系结构;而DSP则采用一种简化的基于C54的体系结构。处理器之间的通信由DSP的主机接口实现。系统的验证和综合主要采用硬件描述语言对系统进行行为描述。 本文内容安排如下: 第一章绪论简述SoC技术背景和SoC处理器发展情况,然后概括介绍本文的主要工作。 第二章讨论现有几种主要的SoC处理器的体系结构,并对它们的优缺点进行分析。文中重点研究了一种基于RISC微处理器及DSP双内核集成芯片系统方案,介绍了方案中各主要部分的总体架构,并详细分析了处理器之间的通信方式。 第叁章对SoC设计方法进行了探讨,论证了用硬件描述语言对系统进行验证与综合的优越性,并介绍了本文在集成芯片系统方案的验证中使用的方法。 后两章对主处理器和DSP进行分析验证与综合,是本文的核心部分。其中,第四章在分析主处理器体系结构的基础上对其子模块进行验证和综合。第五章分析了DSP的架构,并对算术逻辑单元和乘/累加器进行了验证与综合,然后在乘/累加器性能比较的基础上证明了本方案中DSP的优越性。这里,着重双内核SoC设计方法的研究以及系统子模块的性能分析,是论文的创新之处。
辛明瑞[6]2006年在《面向空间应用的容错RISC处理器体系结构研究》文中提出我国目前星载计算机使用的微处理器不具备单粒子翻转(SEU，Single Event Upset)的容错能力，导致必须依靠系统级的容错设计达到空间应用的可靠性要求，制约了系统实时性能的提高，难以满足卫星与深空探测技术发展的需要。论文以星载计算机的需求为背景，重点研究应用于空间辐射环境中高性能微处理器的容错体系结构，提出了一套完整的微处理器片上容错设计方案，并研究其实现技术，设计实现了两款具有自主知识产权的能够容忍单粒子翻转故障的高性能微处理器芯片，并流片成功。论文取得了如下的创新性研究成果：1、全面分析了SEU对微处理器危害的机理，提出了一个体系完整的微处理器片上容错设计方案，并在LSFT32系列微处理器芯片的设计中进行了实验验证。2、提出了一种连续纠错的流水线结构，能够连续检测并纠正寄存器文件中的数据错误，并及时更新寄存器文件。3、提出了一种自主恢复的存储器控制器结构，设计了具有自动回写的存储器控制器，数据错误处理完全不需要处理器的干预。4、提出了一种可控的片上故障注入机制，提供了软件可控的故障模式，有力地支持了容错技术的验证。5、利用0.5μmCMOS工艺抗辐射工艺库和定制存储器，研制了我国第一个辐射加固型32位RISC微处理器芯片LSFT3201(BM3801)，主频25MHz，抗辐射总剂量指标达到300krad(Si)；在LSFT3201的基础上通过集成浮点处理单元，改进流水线纠错结构和故障注入机制，利用0.18μm常规CMOS工艺，研制成功能容忍单粒子翻转故障的浮点微处理器芯片LSFT3202(BM3802)，主频达到175MHz。LSFT32系列容错微处理器的研制成功，对于缓解我国航天领域对国外抗辐射加固微处理器的依赖，将起到积极的作用。
张海勇[7]2009年在《8位RISC微处理器的设计》文中认为8位微处理器是应用广泛的一类微处理器,而精简指令集(RISC)与以往的复杂指令集(CISC)相比,不仅简化了指令系统,而且是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理,缩短了处理每条指令的周期,从而提高了运算速度。但目前市场上8位微处理器的主流产品仍然是国外的,所以我国应开发出更多具有自主知识产权的MCU产品。基于此基础上,本文对微处理器的设计做了有益的尝试。本文通过对微处理器的体系结构、主要模块的内部结构,以及微处理器的工作原理的研究。完成了一款8位微处理器的设计及仿真验证,所设计的微处理器在指令上与EM78P153S相兼容,该指令集为精简指令集(RISC),包含56条指令,结构上采用哈佛结构。实现上主要采用自顶向下的设计方法,用硬件描述语言Verilog HDL完成了所有功能模块的RTL级描述,通过ModelSim SE对代码进行仿真来验证其功能的正确性,并用Synplify对RTL级代码进行综合。本文的创新之处是对数据通道的关键模块ALU中乘法器的设计,采用一种新的树型结构,有效的降低了传统华莱士树型结构的延迟,使延时降低了8%,从而提高了运行速度。
王京[8]2006年在《八位RISC微控制器IP核设计》文中研究指明集成电路的设计进入片上系统(SOC)的设计,但随着片上系统的规模越来越大,进入深亚微米以后,问题已不在是单个芯片是否有能力容纳系统设计,而是设计如何跟上芯片设计复杂性的增长步伐,以及如何满足激烈的市场竞争对产品上市时间越来越苛刻的要求,在片上系统设计变得异常复杂的今天,基于芯核的设计已成为EDA发展的必然趋势。开发具有自主知识产权的IP核(Intellectual Property)则更具有广泛的应用前景。它具有很高的通用性和灵活性,可以通过软件编程完成不同特定的功能,可以任意使用在各种嵌入式微控制系统中。嵌入式IP核的应用,由于重用设计思想和设计知识,极大地降低了设计成本,缩短了设计周期,成为当今片上系统的重要设计手段。MicroChip公司的PIC系列MCU目前应用比较广泛、功能比较强大,建立PIC MCU可综合IP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用具有重要意义,加快了电子系统的设计周期。本文的研究课题《八位RISC微控制器IP核的设计》正是对此进行的一次有益的尝试与实践。 本文深入分析了PIC16C5×系列单片机系统结构、指令系统和系统时序,把握了微控制器的设计思想,并且在此基础上对精简指令集MCU IP核进行顶层功能和结构的定义与划分,采用自顶向下的数字系统设计方法,建立了一个可行有效的RISC MCU IP核模型,设计包含大部分PIC系列单片机大部分指令,采用二级流水线结构,提高了指令的执行效率。 采用IP核重用技术和当前流行的Verilog硬件描述语言设计,使用高层综合的方法,对各个模块进行设计描述,利用多种EDA工具对整个系统进行了仿真,综合和验证,验证结果表明:所设计的MCU IP核能够准确无误的执行所有指令,并且达到了PIC16C5×系列MCU的性能要求。
弓剑锋[9]2008年在《基于FPGA的微控制器IP核研究与设计》文中研究表明IP核复用技术是SOC设计的核心技术,可使芯片设计变得快捷,设计风险也大为降低。八位微控制器IP核是SOC设计中应用最广泛的一类嵌入式核。微控制器(MCU)是许多数字系统的核心部件,其控制复杂,对面积、功耗、运算速度、功能等方面都有很高的要求。设计拥有自主知识产权的高性能MCU一直是集成电路设计领域一个富有挑战性的课题。本文的研究正是对此做一次有益的尝试和实践。本文在对Microchip技术公司PIC18LF4550微控制器的系统架构、指令系统和时序机构进行深入研究的基础上,总结了微控制器的工作原理和设计方法。设计时将微控制器总体划分为控制通路和数据通路两个单元,并细化成各个子模块进行实现。本文改进了微控制器的时序结构,用单时钟替代四相时钟技术,采用二级流水结构,使指令执行周期缩短为单个时钟周期,从而使微控制器的指令处理速度提高到原来的四倍。微控制器按照自顶向下的层次化设计方法进行设计,采用VHDL硬件描述语言实现各模块的RTL级代码。整个系统在Altera公司的QuartusⅡ平台上实现,其功能与架构通过综合、布局布线和仿真等流程进行了验证和优化,最后使用全指令测试的方法对微控制器的指令运行效果进行了测试。
吴娟[10]2010年在《基于RISC的微处理器研究与设计》文中研究指明随着电子技术和计算机科学的发展,当今的电子系统设计已不再是利用各种通用IC进行PCB板级的设计与调试,以FPGA或ASIC为物理载体的SoC技术已成为21世纪IC技术发展的重要方向,同时微处理器的设计与制造是当前我国蓬勃发展的高新技术。本文由RTL级硬件描述、功能仿真、综合优化、布局布线,到后仿真验证,成功地完成了一款RISC架构的八位微处理器的前端设计与实现。首先,本文对微处理器的结构和指令系统等进行了深入研究,确定了该微处理器的总体架构以及所能实现的指令功能。在具体设计中采用自顶向下的方法对系统进行了模块划分,该方法减小了设计的复杂程度便于早期发现错误。然后采用Verilog HDL语言从系统的最底层开始进行了数字逻辑设计和仿真,同一层次各模块的互连构成了这一层次的硬件结构,对关键模块控制器应用了有限状态机的形式予以实现,并通过分析比较采用独热编码方式进行了状态编码,最后在仿真器ModelSim中对由各层次模块构成的整个系统成功地进行了测试与功能验证。其次,在综合工具Synplify Pro上对HDL代码进行了具体目标器件映射,通过不断地修改代码和约束条件,把HDL代码转换成了满足时间、面积等约束的与或非等门级电路网表,同时对代码的可综合问题进行了分析与总结。本文选择的目标器件是Altera公司的Stratix系列FPGA器件EP1S10F780C6。最后,将综合得到的门级网表送到了Altera公司的专用布局布线工具Quartus II中,进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。为了验证设计思想,将布局布线后产生的包含实际门级电路、延时以及驱动能力等信息的文件送入ModelSim中进行了系统精确仿真,结果表明系统能够稳定有效地实现预期的指令功能。本文没有涉及下载到FPGA板上的后端设计部分,但已成功地使用SoC技术完成了微处理器的前端设计。
参考文献：
[1]. 8位RISC微控制器超大规模集成电路的分析与设计[D]. 张治. 电子科技大学. 2003
[2]. 嵌入式微处理器的设计分析与仿真验证[D]. 李川. 北京交通大学. 2008
[3]. 集成电路设计方法及IP设计技术的研究[D]. 李丽. 合肥工业大学. 2002
[4]. 8位RISC MCU软核的设计[D]. 钟旭恒. 合肥工业大学. 2002
[5]. 一种基于RISC及DSP双内核集成芯片系统的研究[D]. 朱健松. 广东工业大学. 2005
[6]. 面向空间应用的容错RISC处理器体系结构研究[D]. 辛明瑞. 西北工业大学. 2006
[7]. 8位RISC微处理器的设计[D]. 张海勇. 贵州大学. 2009
[8]. 八位RISC微控制器IP核设计[D]. 王京. 西北工业大学. 2006
[9]. 基于FPGA的微控制器IP核研究与设计[D]. 弓剑锋. 山西大学. 2008
[10]. 基于RISC的微处理器研究与设计[D]. 吴娟. 苏州大学. 2010
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