隨著信息技術的發展，網絡通信、信息安全和信息家電產品的普及，嵌入式MCU正是所有這些信息產品中必不可少的部件。目前國內一些科研院校和半導體公司都在致力于研發自主設計的嵌入式，這對我國的半導體產業、電子產品產業的發展具有重要意義。

這里描述了一款自主研發的16位嵌入式微控制器的設計與實現，基于RTL級設計方法使用VerilogHDL進行設計描述，在設計中，采用硬布線控制方式，減少了面積和功耗，同時MCU兼容了MSC-96指令集，目標是可以應用于實際嵌入式系統項目中。

1 總體設計

1.1 MSC-96體系結構

圖1所示為MSC-96體系結構。Intel 8096微控制器是由通用寄存器陣列、算術邏輯單元（RALU）和微程序控制器等模塊組成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一個片內ROM存儲器，因而會造成面積和功耗都會較大。

MCU內部的寄存器陣列通過一個控制器和2條總線與RALU相連。這兩條總線是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU與寄存器之間的數據傳輸，而A-BUS用作上述傳輸過程中的地址總線。當MCU通過寄存器控制器訪問片內外寄存器時，A-BUS可作為多路轉換的地址/數據總線。

1.2 A8096總體結構

為了減少面積和功耗，A8096采用硬布線邏輯控制方式取代上述的微程序控制器。依據MSC-96的體系結構，A8096主要功能模塊包括：IPU（InSTructiON Pre-fetch Unit。指令預取單元）、CU（Control Unit，控制單元）、ALU（ArithmeTIC Logical Unit，算術邏輯單元）、MEM_C-TRL（MEM控制器）、RF_CTRL（寄存器堆控制器）、ISR（Interrupt Service RouTIne unit，中斷服務單元）、GPIO（General Purpose Input Out-put，通用輸入輸出單元）等主要功能部件。其結構如圖2所示。

1.3 系統總線

A8096采用3條總線：一條是MEM總線，用于IPU和MEM CTRL對程序空間和數據空間的讀寫控制;16 bit的數據線，16 bit的地址線，讀寫信號memrd/memwr;一條是內部寄存器陣列（Register File）總線，用于RF_CTRL對內部寄存器陣列的讀寫訪問，地址線是8 bit的，數據線為16 bit，讀寫信號為rf_rd/rf_wr;一條是SFR總線，用于訪問數據空間地址在00H～19H的特殊定義的寄存器空間。8 bit的地址總線，16bit的數據總線，讀寫信號sfrrd/sfrwr。另外IPU和MEMCTR的數據交互是通過8 bit的數據線instr_bus完成的，其作用是從預取指令隊列中將指令傳給CU單元等。

2 MCU設計與實現

2.1 MCU工作原理

A8096通過IPU（指令預取單元）指令預取，并存放在預取指令隊列中，CU（控制單元）從IPU指令隊列中取指并進行譯碼，產生控制時序等信號。ALU單元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有譯碼模塊，依據當前指令和當前指令周期主動工作。如：RAM控制器在加法指令的相應周期取操作數送往ALU單元，ALU在相應周期接收數據，然后進行運算并將結果輸出。

2.2 MCU啟動過程

在上電復位時，MCU處于復位態（rst信號有效）。復位時，IPU單元中的指令隊列清空（empty信號有效），總線處于空閑態，IPU立刻進行指令預取動作，程序空間的首地址（2080H）指令即被取人指令隊列，隨后隊列空信號（empty）無效，同時指令被發送出去（instr_bus）。在復位同時，控制單元（CU）的取指信號（codefetche）即一直有效，在指令隊列空信號empty無效后（在empty無效之前CU一直等待），指令即通過instr_ bus進入了CU，指令操作碼被存入了指令寄存器，如圖3中instr寄存器更新為加法指令的操作碼74。至此，MCU完成了復位、自動取指操作，并開始往下執行該指令，IPU單元也會繼續進行指令預取操作。

2.3 指令執行過程

在A8096中，有兩級指令預取概念：一級是指令預單元IPU利用總線空閑從程序空間不斷預取指令存入指令隊列中;一級則是指令執行過程中的指令預取，當一條指令執行到最后一個時鐘周期時，CU單元就會發送取指信號，進行指令執行級的預取指動作，下一條指令的操作碼即被預取出來（指令隊列為空時需等待），并立刻進行譯碼確定指令的字節長度和指令執行周期數。