8位微控制器体系架构的设计研究
8位微控制器体系架构的设计研究作者：凌朝东 柯志斌
摘 要: 本文分析了目前8位微控制器的更新和设计趋势，主要讨论其RISC体系架构的产品设计，并重点从体系架构的角度出发，就高性能、低功耗两方面对在设计中采用的关键技术进行了探讨研究。
关键词： RISC；微控制器；低功耗；流水线
Abstract：The existing 8-bit microcontroller's renewal and design tendency is analyzed in this paper. Its product design of RISC architecture is also mainly discussed. Focusing from the point of architecture, discussion and investigation is carried out on essential technology about high-performance and low-power used in the design too.
Key Words: RISC; Microcontroller; Low-power; Pipelining
1．引言
微控制器(Microcontroller)自上世纪70年代出现以来，在将近30年的时间里得到了迅猛的发展和广泛的应用。随着微电子技术的飞速发展，微控制器以其性能好、体积小、价格优、功能齐全等突出优点被广泛应用于家用电器、计算和外设、通讯、工业控制、自动化生产、智能化设备以及仪器仪表等领域，成为科研、教学、工业技术改造最得力的工具。从最初采用普林斯顿结构的简单微控制器到现在普遍采用哈佛总线结构的RISC微控制器，微控制器取得了飞速的发展[1]。
8位微控制器目前应用数量最大的微控制器，也是目前最多公司致力耕耘的市场；其市场及价格竞争都极为激烈，各种多功能需求以及不同规格的产品推陈出新的速度也极为快速。随着集成电路和半导体工艺技术的快速发展，FPGA和SOC技术的不断竞争和融合，电子产品的设计逐渐向系统性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、开发更容易的方向发展。因此，迅速推出符合市场需求的高性价比、低功耗、高经济效益的8位微控制器芯片或IP Core成为了现今不少公司竞争相逐的热点。
2．目前8位微控制器的更新和设计趋势
对于不同的微控制器（MCU）产品应用,不仅需要考虑不同厂家MCU的性价比,而且还需要考虑不同指令系统下MCU应用特点。针对不断涌现出来的新的智能化电子产品,们一直在开发适合于不同嵌入式系统应用的MCU新产品[2]。不同厂家的MCU产品其指令集各不相同,特别是指令集系统架构的不同,如市场上广泛应用的MCS51系列和PIC系列微控制器则分别采用CISC指令系统和RISC指令系统。
微控制器按照指令系统可以分为CISC、RISC、类RISC（RISC-LIKE）等几种。传统的MCS51控制器属于CISC型，其代码密度高，但大多数指令需要多个时钟周期完成。RISC型一般指令密度较低，但指令效率很高。类RISC型则兼有CISC和RISC的优点。RISC和类RISC之所以有如此高的指令效率，得益于小指令集带来的硬布线结构和流水线结构。简单的指令集可以用硬布线进行指令译码，而不需要用微码控制的方式，提高了译码的效率。流水线结构将指令分成几步完成，在流水线填满工作时，每条指令的平均执行时间（CPI）在1个时钟周期左右[3]。一般来说，RISC比同等的CISC要快50%--70%，同时更容易设计和纠错。
因此，目前对8位微控制器的产品开发和研究设计主要是以兼容市场上已被客户广泛采用的产品为前提，不断提高性能并降低功耗以适应市场竞争和技术发展。对于原先为CISC指令系统的微控制器产品，在层出不穷的更新系列中已经渐渐的融合进了RISC思想；对于采用RISC指令系统的微控制器来说，更多的做法仍然是针对高性能低功耗的需求对其整个体系架构不断地进行优化和改善，尤其是流水线结构的改进最为多见。本文正是在种形势下提出的，主要讨论RISC体系架构的8位微控制器产品的设计技术。
5．结束语
在微控制器应用领域日益广泛的今天，对微控制器提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、价格低廉、易学易用以及组成系统时的外围器件更少。因此，对目前应用数量最广的8位微控制器的产品开发和设计研究显得尤为重要。又体系结构设计是整个设计关键之关键，其后的所有工作，都是依赖于所设计的体系结构来进行的。本文就此对8位RISC体系架构中采用的关键技术所应该考虑的问题进行了分析和探讨，具有一定的研究价值和意义。
考文献：
[1]张治.8位RISC微控制器超大规模集成电路的分析与设计[D].电子科技大学.2003.5
[2]陈瑞森，郭东辉.基于CISC/RISC混合架构的嵌入式MCU设计[J].计算机应用研究2006,(8):194-196
[3]李侠,沈泊,吉隆伟,章倩苓.一种高效率8 位嵌入式微控制器的VLSI 实现[J].微电子学.2001,31（6）
[4]李逍,潘松,徐旭.新型RISC 流水线架构的8位微控制器[J].电子产品世界 2003.9/上半月：48-50
[5]韦健.低功耗逻辑电路设计及在RISC设计中的研究[D].浙江学.2001.5.
[6]孙海平，高明.8 位RISC微处理器核的参数化设计[J].微电子学与计算机.2002（1）
[7]陆希玉，唐昆，崔慧娟.基于嵌入式系统的低功耗设计[J].微计算机信息.2005,21-7，4-6。
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