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基于PIC16F676 CPU的设计与实现

作　者: 潘海祥
导　师: 居水荣
学　校: 江南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微控制器 RISC-CPU ALU 流水线管理 ASIC设计流程功能仿真逻辑综合
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

PIC16F676是基于RISC结构的MCU,RISC即精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer)的缩写。RISC与一般的CPU相比不仅简化了指令系统,而且通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理,从而提高了运算速度。本课题的研究目的是采用ASIC经典流程来设计与PIC中档微控制器(Micro Control Unit)PIC16F676兼容的微控制器。利用PIC16F676的指令系统,做到与PIC16F676完全兼容。本文对PIC16F676微控制器体统结构和指令集做了详细的分析,在此基础上对课题中的CPU进行了顶层的功能和结构的定义与划分,给出了顶层及各个子模块的具体设计及最终的功能仿真结果。在设计过程中将面积优化和降低功耗作为优先考虑的问题,尽可能减少实际使用器件的数量和降低设计控制的复杂程度,着重对ALU模块的设计进行了研究和优化,在不影响电路功能的前提下节省了系统资源。对于综合后的门级网表进行了门级仿真。本课题运用先进的EDA设计工具和算法对设计进行综合优化(Synthesis),功能验证(Function verification)和验证,使用了SMIC0.35um的工艺库综合,RLT描述语言使用当前流行的Verilog HDL语言。最终的仿真结果表明我们的CPU达到了预期的目标:与PIC16F676微控制器完全兼容。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 微控制器（MCU）概述  8
  1.2 国外CPU 和MCU 的发展  8-9
  1.3 国内MCU 的发展和使命  9-10
  1.4 MCU 的广阔市场  10
  1.5 PIC 单片机的特点  10-11
  1.6 论文的工作内容,选题目的和意义  11-12
第二章芯片设计流程  12-16
  2.1 需求分析和需求管理  12-13
  2.2 算法和架构设计  13
  2.3 模块设计和RTL 实现  13-14
  2.4 综合  14
  2.5 时序验证  14
  2.6 原型验证  14-15
  2.7 后端设计  15
  2.8 生产测试  15-16
第三章 RISC 结构8 位MCU 体系结构设计  16-27
  3.1 MCU 系统结构  16-17
  3.2 时序设计  17-18
  3.3 流水线设计  18-19
  3.4 存储区的组织  19-24
    3.4.1 程序存储区组织结构  19-20
    3.4.2 数据存储器的结构  20
    3.4.3 直接寻址和间接寻址的解决办法  20-21
    3.4.4 STATUS 寄存器  21-23
    3.4.5 选择寄存器OPTION  23-24
    3.4.6 算术逻辑单元与工作寄存器  24
  3.5 中断处理  24-27
    3.5.1 中断的来源  24-25
    3.5.2 中断程序的开始与结束  25
    3.5.3 中断源的种类  25-27
第四章指令系统  27-30
  4.1 指令系统概述  27
  4.2 精简指令系统 RISC  27-28
  4.3 PIC16F 系列微控制器的指令系统[7][8]  28-30
    4.3.1 数据类型  28
    4.3.2 指令类型  28
    4.3.3 寻址方式  28-29
    4.3.4 指令格式  29-30
第五章 8 位RISC—CPU 各模块单元设计  30-49
  5.1 时序发生部分的设计  30-36
    5.1.1 时钟的设计  30-31
    5.1.2 看门狗和分频器的设计  31-33
    5.1.3 复位的设计  33-35
    5.1.4 整体时序设计  35-36
  5.2 指令寄存器IR  36-39
  5.3 程序计数器PC  39-40
  5.4 堆栈（STACK）  40-43
  5.5 算术逻辑单元ALU  43-46
    5.5.1 位运算  43
    5.5.2 逻辑运算和算术运算  43-45
    5.5.3 控制指令  45-46
  5.6 指令译码器（Instruction decoder）  46-47
  5.7 数据存储器RAM  47-49
第六章 MCU RISC CPU 仿真与综合  49-59
  6.1 RISC MCU CPU 仿真和综合概述  49
  6.2 功能仿真  49-53
    6.2.1 RISC MCU CPU 的仿真策略  50-53
    6.2.2 RISC MCU CPU 的仿真体会  53
  6.3 RISC MCU CPU 逻辑综合  53-59
    6.3.1 综合约束  53-56
    6.3.2 综合策略  56-57
    6.3.3 综合报告  57-58
    6.3.4 门级仿真  58-59
第七章总结  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-63
附录1：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  63-64
附录2：顶层电路图和主要子模块图  64-66

基于PIC16F676 CPU的设计与实现

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