【導讀】它的微處理器包含計算機體系結構中的運算器和控制器，是構成微型計算機。越多，除運算器、控制器外，還有協處理器、高速緩沖儲存器、接口和控制部件等。每隔二到三年就要更新一代，現在則不到一年更新一次。1976年9月INTEL公司推出了。優(yōu)秀的8位MCU，即8051。1982年MOSTEK公司首先發(fā)布了第一個16位MCU68200。年MOTOROLA公司推出了準32位MCU68300。同年，INTEL公司推出了采用RISC技術設計的16位MCUA80960KA和32. 一種方向是發(fā)展性價比高的快速高效低位數MCU。行速度，常常應用MCU控制和管理各種智能化接口。MCU在現代流行的視頻會議中也起到核心領。MCU充分發(fā)揮了其低功耗的特點。這樣軟硬件交叉火力，可以使MCU的功耗降至最低。成本非常低，和其他設備相比，MCU的性能價格比具有相當的優(yōu)勢。要求，所以目前8位MCU依然是市場的主流。專用型MCU，是為了某種特定的目的而設計的MCU。型MCU更小，功耗更低，可靠性及保密性都有增強。在電子設計自動化出現之前，設計人員必須手工完成集成電路的設計、布線等工作，

　　

【正文】 在 QuartusII 集成環(huán)境下，執(zhí)行 FileNew 命令，打開一個新的 Memory initialization file 編輯窗口，彈出如圖 所示的存儲器參數設置對話框，在里面輸入存儲器的字數以及字長。 圖 存儲器參數設置結束之后，彈出如圖 所示的存儲器初值設定文件的界面，并把數據加載進存儲器初值設定文件中，新建的存儲器初值文件中的數據全部為 0，可以直接輸入每個存儲器字的數據，也可以右擊文件界面，在彈出的操作快捷菜單中完成數據輸入。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 27 頁 共 36 頁 圖 b)加入只讀存儲器 ROM 元件 雙擊原理圖編輯窗口，在彈出的元件選擇窗口中選擇只讀存儲器 ROM 的 LPM 文件，如圖 所示。在彈出的如圖 所示的 MegaWizard PlugIn Manager 對話框中，選擇 VHDL 作為輸出文件的類型，并 且將生成的只讀存儲器名稱及保存的文件夾輸入相應的地方。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 28 頁 共 36 頁 圖 圖 完成上述操作后，在彈出的 MegaWizard PlugIn ManagerLPM_ROM[page3of7]（如圖 ）對話框中設置 ROM 的 q 輸出的屬性。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 29 頁 共 36 頁 圖 完成上述操作后，單擊 NEXT 按鈕，進入 ROM 參數設置的 MegaWizard PlugIn ManagerLPM_ROM[page4of7]（如圖 ）。此對話框用于選擇 ROM 的 clken。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 30 頁 共 36 頁 圖 完成上述操作后，單擊 NEXT 按鈕，進入 ROM 參數設置的 MegaWizard PlugIn ManagerLPM_ROM[page5of7]（如圖 ）。這個對話框是用來設置 ROM的測試和讀寫方式。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 31 頁 共 36 頁 圖 最后進入 MegaWizard PlugIn ManagerLPM_ROM[page7of7]。這是 ROM 參數設置的最后一個對話框，它主要用于選擇要生成的 ROM 的輸出文件。這樣 ROM 的參數設置完成，單擊 Finish 結束設置。 由于 本次設計的 RAM 只有只讀功能，所以這個 RAM和 ROM 實際上是相同的。因此，LPM_RAM 的設置和 LPM_ROM 的設置相差無幾，所以本文中不再贅余。 如圖 XXX 是 ROM以及 RAM 模塊的實體圖。 MCU 的總體結構圖 如圖 是 MCU 的總體結構圖。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 32 頁 共 36 頁 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 33 頁 共 36 頁 4 MCU 的指令系統(tǒng)及指令周期 MCU 的指令系統(tǒng) 本次畢業(yè)設計的 MCU 的指令共有 12個，如表 所示。 表 指令 地址 機器碼 LOD 00H 0000 0000 ADD 01H 0000 0001 SUB 02H 0000 0010 AND 03H 0000 0011 OR 04H 0000 0100 NOT 05H 0000 0101 LSF 06H 0000 0110 RSF 07H 0000 0111 ZEO 08H 0000 1000 SAD 09H 0000 1001 SSU 10H 0000 1010 OPP 11H 0000 1011 MCU 指令系統(tǒng)決定它能夠有那些功能，并針對這些功能添加相應的指令集， 直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址和變址尋址。根據指令的數量對指令進行編碼，指令功能不同占的長度不同，按指令長度可以分為單字指令和雙字指令。本次設計的 MCU的指令共有 12個，分別是 0000 裝載指令、 0001 加法指令、 0010 減法指令、 0011 與運算、 0100或運算、 0101 非運算、 0110 右移運算、 0111 左移運算、 1000 清零運算、 1001 自加運算、1010 自減運算、 1011 取反運算。 MCU 的指令周期 本次畢業(yè)設計的 MCU所包含的指令，它們的指令周期總長度基本上都是 6個脈沖長度。時序周期從 0 到 2 的范圍為指令獲取周期，而狀態(tài) 3 到 5 的范圍為指令執(zhí)行周期。下面就來討論每個時序狀態(tài)下 MCU 的操作流程。 在指令獲取周期中，共有三種狀態(tài)。在狀態(tài) 0 下，程序計數器 PC 主要負責將所要執(zhí)行的指令地址值傳送到 MAR 存放；在狀態(tài) 1 下，程序計數器 PC 的值加 1，這說明計數器將指針指向了下一個要執(zhí)行的指令地址；在狀態(tài) 2下， MCU 將會把存放在 MAR 中的指令 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 34 頁 共 36 頁 地址值送入 RAM 中，由 RAM讀取這個地址的指令數據，然后把這個指令數據存放如指令計數器 IR。 在指令執(zhí)行周期中，共有三種狀態(tài)。在狀態(tài) 3 下，指令寄存器中的數據將傳入 MAR 中，以便于在下一個狀態(tài)能取出這個數據所代表的地址里存放的數值；在狀態(tài) 4 下，存放在MAR 里的數據通過 RAM讀出這個地址里存放的數據，然后這個數據將會被傳送至累加器ACC；在狀態(tài) 5 下，在累加器 ACC 中存儲的數據將會被傳送至運算器 ALU 中進行相關的運算，運算結束后，結果數據將會被傳送回累加器 ACC。 例如，當 MCU 執(zhí)行 ADD 指令的時候，可以假設是狀態(tài) 2 后的指令寄存器 IR 是存放著加法數據 0000 0001 0000 1010 的（即將執(zhí)行 ADD 0AH 命令），在執(zhí)行狀態(tài) 3 時，上述的 0AH 數據將會被傳送至 MAR，以便于 下一個狀態(tài)能夠取出該數值所代表的地址里的內容，這里假設數值是 14H。在狀態(tài) 4下，存放在 MAR 里的 0AH 地址數據將會通過 RAM讀取出 0AH 地址內存放的數據 14H，然后數據 14H 將會被存放至 B寄存器 BR。在狀態(tài) 5下，存放在累加器 ACC 和 B 寄存器 BR 中的數據傳送至運算器 ALU，然后進行相加運算，并且將結果傳送回累加器。 了解 MCU 中每一個指令在指令周期下的動作狀態(tài)，可以簡化很多設計上的邏輯，將會對使用 VHDL 語言設計 MCU 系統(tǒng)有很大的幫助。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 35 頁 共 36 頁 結 論 本次畢業(yè)設計中，應用了 VHDL 硬件描述語言，對本次設計的 16 位 MCU系統(tǒng)的基本功能單元進行了描述，并利用 Modelsim 仿真工具對 MCU 系統(tǒng)進行了 RTL 級時序仿真。在設計過程中，熟練掌握了 QuartusⅡ 軟件 的使用方法，并對 MCU 的各個模塊的作用加深了了解，也深刻的體會了 MCU從取址到命令的執(zhí)行階段的相關時序概念?；具_到了本次畢業(yè)設計的預期效果。 在進行 設計的 時候，對 每一個 模塊 都進行功能仿真，這 大大減小了設計的復雜程度并增加了設計的可靠性 ， 各個 模塊 的通信都是 通過 數據總線進行的，并且能夠 根據設計的時序要求 而 產生 相應控制信號。在設計中 所有電路的設計遵循設計的規(guī)范，語言描述盡量貼近硬件電路，保證設計的穩(wěn)定性，提高時鐘頻率。 雖然 設計 過程中 ，雖然 遇到了一些疑惑，但通過老師的解疑答惑，最終問題得到了圓滿解決，動手實踐開發(fā)設計能力得到了極大地提高，為今后的相關硬件 工作 打下了堅實的基礎，硬件設計思維得到了進一步的鍛煉和提升。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 36 頁 共 36 頁 致 謝 本設計的完成是在我 的 導師安勝彪 老師的細心指導下進行的。在每次設計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設計順利的進行。從設計的選題到資料的搜集直至最后設計的修改的整個過程中，花費了 安 老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！ 安老師 淵博的專業(yè)知識、嚴謹的治學態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴于律己、寬以待人的崇高風范，樸實無法、平易近人的人格魅力對本人影響深遠。不僅使本人樹立了遠大的學習目標、掌握了基本的研究方法，還使本人明白了許多為人處事的道理。本次論文從選題到完成，每一步都是在導師的悉心指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感 謝！在寫論文的過程中，遇到了很多的問題，在老師的耐心指導下， 都得以解決。所以在此，再次對老師道一聲：老 師，謝謝您！