基于PIC16F676 CPU的设计与实现

论文摘要

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。

论文目录

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