8位微控制器体系架构的设计研究

　　对ISA进行功耗分析应该从指令代码容量和指令执行效率两方面考虑。指令集大小、寄存器变量、存储器寻址方式、流水线结构等技术的选定都和指令代码密度有紧密联系。研究发现，在RISC的精简指令集中适当增加一些特定的复杂指令不失为提高代码密度、保证处理器高性能、低功耗的可行方法。因此能够产生高指令代码密度的指令集无疑是RISC低功耗设计的首选[5]。

4.2 具有共享区的寄存器堆的分页设计

RISC设计思想的最主要特点是所有的操作都是面向寄存器的。利用寄存器---寄存器操作的指令进行数据传送，加快了速度，而且还简化了指令控制逻辑，缩小了硬布线逻辑构成的控制部件的芯片面积。

　　在指令中固定寄存器地址的位数必然限制寄存器的数量，但是引入高端处理器的分段、分页的设计思想就可以扩展寻址的范围。分段、分页的设计思想的根本出发点在于将存储器的线性地址分解成二维或多维地址；在指令中只表达最低维地址，而使用其它设施（如段号寄存器、页号寄存器）用来存放高维地址。一般将寄存器堆分成若干个页，每个页有固定的大小，在指令中只使用寄存器的页内地址。在系统专用寄存器中设置一个页号寄存器，通过改变其内容来切换对不同页寄存器的访问[6]。

　　为克服单纯分页机制中的各种缺陷，通常采用具有共享区的分页设计，这样不仅减少了指令中寄存器逻辑地址的位数，而且在任何时候都能够访问系统寄存器，同时便于不同页寄存器之间通过共享区中的通用寄存器交换信息。当然还得有相应的逻辑地址到物理地址的映射的方法措施。

4.3 程序空间的分页设计

　　由于和寄存器堆同样的原因，在指令中若采用完整的程序空间地址，也会局限程序空间的大小，所以对程序空间通常也采用了分页的设计思想，同时在不同页内设置了公共程序区（若指令长度完全符合程序空间地址的要求，则无需此思想），其设计思想类同于具有共享区的寄存器分页设计，在此不再赘述。唯一与寄存器公共区不同的是：程序公共区是为程序在不同页之间跳转提供平台。

4.4流水线技术

流水线设计与8位RISC微控制器体系架构密不可分，是整个系统的设计核心，它的选用优劣直接影响到系统的性能和功耗。

　　流水线技术能最大限度地利用了微控制器资源，使每个部件在每个时钟周期都工作，大大提高了效率，但由于流水线的各个段之间存在很强的依赖关系。如果处理不当, 指令的运行将达不到预期的结果，因此必须熟知流水线的相关和转移问题。其一为资源冲突, 即同一时间内争用同一功能部件, 一般为同时访问存储器, 这就需要停顿一拍流水线; 其二为数据相关冲突, 有三种类型: RAW、WAR、WAW , 解决该冲突使用内部直通结构或者延迟一拍流水线; 其三为控制转移冲突, 即对于条件跳转指令, 根据运算结果判断是否跳转, 才能确定新的PC值, 运算结果是在执行阶段后获得, 这使流水线丧失很多的性能, 一般采用增加硬件预先获得运算结果解决该冲突[3]。

　　越是长的流水线，相关和转移两大问题也越严重：一方面导致硬件控制电路复杂程度大大增加, 另一方面, 由于流水线节拍的停顿, 导致CPI值的增大及系统性能的下降。所以，流水线并不是越长越好，找到一个速度与效率的平衡点才是最重要的。

　　在8位RISC微控制器的流水线设计中，存在很多种方案。不同方案所对应的面积、速度与功耗各不相同。具体的选用则应该从多个方面融合考虑。首先应该由系统的工作速率要求和流水线级数、深度推导出多种具体的流水线结构方案及其所需要的严格时序；然后从系统的功耗、面积、性能及由流水线相关和转移问题引起的设计复杂度等方面考虑出发，判断各方案的优劣；最后折衷选择符合的最优方案。

4.5低功耗技术

　　随着半导体工业的迅猛发展，集成电路进入深亚微米阶段，微处理器的时钟频率和芯片集成度不断提高，功耗已在很多设计领域成为了首要关注的问题，这点最为突出的即是高性能微处理器和便携电子设备产品[7]。

　　在根据系统功能说明进行软硬件协同设计、确定指令体系结构时，不同的设计出发点所导致的设计功耗结果差别会很大。因此整个体系架构的确定无疑是低功耗问题应该考虑的首要问题，主要体现以下几个方面[5]：1）尽可能根据功能需求优化指令集，简化系统的译码单元和执行单元；2）通过开发硬件的并行性以及功能单元的流水执行来实现低功耗的结构；3）合理设置确定存储器、寄存器的容量，减少所需的总线数目；4）系统硬件的各个子模块划分以及软件上设置不同的工作状态对功耗的优化非常重要。

　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。

　　参考文献：

　　[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。