摘 要：以对传统8051微控制器的分析为基础，在保证指令集不变的情况下，给出了一种基于ASIC的微控制器设计。该设计采用三级流水线结构，提高了指令的执行效率。仿真和测试结果显示，所设计的8051内核可以正常工作。
关键词：微控制器; 流水线; ASIC
8051微控制器至今具有非常广泛的应用。其指令集简单易懂，许多指令可直接访问I/0引脚，便于迅速操作外围设备。但在电路集成度和工作频率越来越高、SoC结构越来越复杂的今天，高达12的CPI(Cycle Per Instruction)使得指令的执行效率十分低下。因此，设计一个指令执行效率高且兼容全部8051指令集的硬件架构具有重要意义。
1 8051的流水线设计
1.1 三级流水线的确定
按照计算机指令系统划分，8051微控制器属于CISC架构。这种架构的特点是追求用最少的指令来完成所需的任务，因此它有数目庞大的指令集以提高编程效率；而由于不同功能的指令繁多，其代价是每条指令的长度和执行所占用的机器周期均不相同。与CISC架构对应的是RISC架构，虽然它只有少数指令，执行复杂运算时需要将多条指令组合操作，但这些指令绝大多数都可在一个周期内完成，有很高的指令执行效率[1]。因此，对8051微控制器进行某些类似RISC架构的改造，会使微控制器的执行效率得以提高。
比较常见的流水线结构有三级流水线结构和五级流水线结构。五级流水线结构一般包括取指令、译码、执行、访存和写回五级。其优点是把整个执行过程分散到5个时钟周期内，有助于提高硬件设计的主时钟频率；其缺点是由于前后指令之间的相关性，级数越大，每条指令的流水线之间的冲突就会越大，需要用一些“额外的”逻辑消除这些冲突或者在流水线队列中插入大量的“气泡”。三级流水线结构一般包括取指令、执行和写回三级。与五级流水线结构相比，其“执行”级包括了五极流水线中的“译码”、“执行”和“访存”三级，级数的减少有助于减少流水线中的冲突冒险，使得整个流水线结构相对简单，适用于比较简单、数据率较低的SoC系统中[2]。本设计采取三级流水线的结构，即在第一个时钟周期内指令1进行取指令；第二个时钟周期内指令1执行，指令2取指令；第三个时钟周期内指令1进行写回，指令2执行，指令3取指令。
8051的指令集是CISC指令集，每条指令的执行(如图1中的E阶段)并不都是只需要一个时钟周期，为了方便问题的表述，在图1和后文中，将执行阶段描述为一个时钟周期。
1.2 一种提高取指令效率的方法
如前文所述，8051的指令集中每条指令的长度并不相同，如“CLR A”长度为1 B，“LJMP address”长度为3 B。如果程序以字节为单位顺次在程序存储器中排列，那么在取指令阶段读取长字节指令时，就要花费多个时钟周期。因此，改变程序在程序存储器中的存储方式，使在取指令阶段能够在一个时钟周期内读出多长度的字节，对于提升微控制器的执行效率具有一定意义。
为此，采取将一个程序存储器分为4个子程序存储器的方式，子程序存储器0存储第0、4、8、12…个字节，子程序存储器1存储第1、5、9、13…个字节，子程序存储器2存储第2、6、10、14…个字节，子程序存储器3存储第3、7、11、15…个字节。这样可以将高14位作为各自子程序存储器的输入地址总线，完成一个周期内取出4 B的工作。这种方式与将整个存储器分为非2的整数次幂个子存储器的方式相比，其各个子存储器的地址产生逻辑简单容易得多。
当程序执行时，程序计数器向程序存储器发送某一个地址，通过下文给出的组合逻辑控制，一并读出以这个请求地址为首地址的连续4 B内容。由于8051的指令集中最长的指令是3 B指令，所以按照上述方法一定可以在一个周期之内将一条指令的全部字节取出。因为指令的第一个字节的内容可以唯一确定该指令的长度，所以，不仅可以判断出在取出的4 B中究竟有多少条属于此指令，而且可以预测出下一条指令的地址，为下一周期的取指令做好准备[3]。
例如程序存储器的输入地址Addr=0x0021时，预期读出第0x0021、0x0022、0x0023和0x0024共4 B，这种情况下，0x0021、0x0022和0x0023字节在各子程序存储器中的地址为2’b00 0000 0000 1000(即Addr的高14位)，而0x0024在子程序存储器0中的地址为2’b00 0000 0000 1001(即Addr的高14位加1)。因此，将高14位地址Addr[15：2]和Addr[15：2]+1作为二选一选择器的两个输入，Addr[1]和Addr[0]作为选择器的控制端，即可实现上文提到的一个周期内依次取出4 B的操作。各子程序存储器的输入地址如表1所示，改进后的程序存储器如图2所示。
1.3 流水线冲突冒险的处理
在程序计数器预测下一指令的地址时，采取的方式是根据当前已经读取指令的地址和长度来计算下一指令的地址，当第N条指令执行完毕，程序需要发生跳转时(如图3 时刻1)，第N+1条指令已经完成取指令，而这条已经取过的指令是按照无跳转情况发生的情况下的“下一条指令”，即此时这种预测策略就会发生错误。但这条指令只完成了取指令，并没有执行，在此，设置一个周期的等待信号给执行模块，将执行模块暂停一个周期(时刻1和时刻2之间),一个周期后，程序完成跳转，跳转后的指令进入流水线。
另外的一种流水线冲突发生在后一条指令要读取前一条指令运算结果的时刻，如图4所示。在这种情况下，前一指令执行阶段完成，即将进入写回阶段；后一条指令等待执行，需要从合适的位置读取操作数。这时，前一条指令的结果尚未写入到数据存储器中，后一条指令读取的是更新前的操作数(时刻1)。因此，如果在某一个时钟周期对同一个地址进行读写，那么写操作照常进行，而读操作则不经过存储器直接读取即将写入存储器的数据，这样就能避免读取尚未更新的数据的问题[4]。
2 仿真及流片测试
用Keil4(单片机系列的编译软件)对C代码和汇编代码进行编译链接产生二进制的机器码，存入程序存储器作为被执行程序以供仿真，多个机器码覆盖8051指令集的全部指令。
图5所示为取指令阶段仿真波形图。pc指示指令的物理地址，该物理地址为首地址的4 B内容被读出，并将前3字节(8051最长指令)依次赋给operator1、operator2和operator3，跟据operator1的内容，可以判断op_len(即该指令的长度值)并计算下一指令的pc值。
在pc=0x73周期，完成取指令“SJMP EE”（对应机器码为0x80,0xEE）;下一个时钟周期按照无跳转发生的情况完成下一条指令的取指，同时执行这个跳转指令;执行结束后，程序跳转到0x63(0x73+指令长度+0xEE)这一正确位置继续执行。
经仿真验证分析，该设计可以解决程序跳转以及对同一地址进行读写等易造成流水线冲突的问题，并执行出正确的结果。
将此设计在SMIC 180 nm CMOS工艺下进行综合，可实现时钟频率为250 MHz的情况。进一步的性能提升(如提高频率、降低功耗)可通过改善集成电路工艺实现。
流片后测试应用Altra公司的Stratix-Ⅱ FPGA芯片和自制的开发板产生测试向量(即微控制器的输入信号)，用逻辑分析仪捕捉芯片的输出信号。经测试，流片后的微控制器可以根据二进制机器码正确执行。
本文提出了一种流水线结构的8051设计，采用三级流水线结构，在指令集不变的情况下提高了指令执行效率，满足工程实际需要。该设计可以作为单独的控制器微芯片使用，也可和其他IP一起进行SoC设计。
参考文献
[1] GOLZE U. VLSI chip design with the hardware description language Verilog[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[2] RAMIREZ A, SANTANA O J, LARRIBA-PEY J L, et al.Fetching instruction streams[C]. Proceedings of the 35th Annual ACM/IEEE International Symposium on Microarchitecture,2002:371-382.
[3] SIMSIC J， TERAN S. 8051 core specification[DB/OL].(2001-09-25)[2013-01-21].http://www.opencores.org.
[4] 倪继利,陈曦，李挥.CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植[M].北京：电子工业出版社,2007.