这里描述了一款自主研发的16位嵌入式微控制器(A8096)的设计与实现，基于 RTL级设计方法使用 Verilog HDL进行设计描述，在设计中，采用硬布线控制方式，减少了面积和功耗，同时MCU兼容了MSC-96指令集，目标是可以应用于实际嵌入式系统项目中。

　　1 总体设计

　　1．1 MSC-96体系结构

　　图1所示为MSC-96体系结构。Intel 8096微控制器是由通用寄存器阵列、算术逻辑单元(RALU)和微程序控制器等模块组成。其采用的是微程序控制方式，需要使用一个片内ROM存储器，因而会造成面积和功耗都会较大。

　　MCU内部的寄存器阵列通过一个控制器和2条总线与RALU相连。这两条总线是8位的A-BUS和16位的D-BUS。DBUS只用于RALU与寄存器之间的数据传输，而A-BUS用作上述传输过程中的地址总线。当MCU通过寄存器控制器访问片内外寄存器时，A-BUS可作为多路转换的地址／数据总线。

　　1．2 A8096总体结构

　　为了减少面积和功耗，A8096采用硬布线逻辑控制方式取代上述的微程序控制器。依据MSC-96的体系结构，A8096主要功能模块包括：IPU(InstrucTIon Pre-fetch Unit。指令预取单元)、CU(Control Unit，控制单元)、ALU(Arithmetic Logical Unit，算术逻辑单元)、MEM_C-TRL(MEM控制器)、RF_CTRL(寄存器堆控制器)、ISR(Interrupt Service Routine unit，中断服务单元)、GPIO(General Purpose Input Out-put，通用输入输出单元)等主要功能部件。其结构如图2所示。

　　1．3 系统总线

　　A8096采用3条总线：一条是MEM总线，用于IPU和MEM CTRL对程序空间和数据空间的读写控制；16 bit的数据线，16 bit的地址线，读写信号memrd／memwr；一条是内部寄存器阵列(Register File)总线，用于RF_CTRL对内部寄存器阵列的读写访问，地址线是8 bit的，数据线为16 bit，读写信号为rf_rd／rf_wr；一条是SFR总线，用于访问数据空间地址在00H～19H的特殊定义的寄存器空间。8 bit的地址总线，16bit的数据总线，读写信号sfrrd／sfrwr。另外IPU和MEMCTR的数据交互是通过8 bit的数据线instr_bus完成的，其作用是从预取指令队列中将指令传给CU单元等。

　　2 MCU设计与实现

　　2．1 MCU工作原理

　　A8096通过IPU(指令预取单元)指令预取，并存放在预取指令队列中，CU(控制单元)从IPU指令队列中取指并进行译码，产生控制时序等信号。ALU单元、RAM控制器、MEM控制器等部件中均有译码模块，依据当前指令和当前指令周期主动工作。如：RAM控制器在加法指令的相应周期取操作数送往ALU单元，ALU在相应周期接收数据，然后进行运算并将结果输出。

　　2．2 MCU启动过程

　　在上电复位时，MCU处于复位态(rst信号有效)。复位时，IPU单元中的指令队列清空(empty信号有效)，总线处于空闲态，IPU立刻进行指令预取动作，程序空间的首地址(2080H)指令即被取人指令队列，随后队列空信号(empty)无效，同时指令被发送出去(instr_bus)。在复位同时，控制单元(CU)的取指信号(codefetche)即一直有效，在指令队列空信号empty无效后(在empty无效之前CU一直等待)，指令即通过instr_ bus进入了CU，指令操作码被存入了指令寄存器，如图3中instr寄存器更新为加法指令的操作码74。至此，MCU完成了复位、自动取指操作，并开始往下执行该指令，IPU单元也会继续进行指令预取操作。

　　2．3 指令执行过程

　　在A8096中，有两级指令预取概念：一级是指令预单元IPU利用总线空闲从程序空间不断预取指令存入指令队列中；一级则是指令执行过程中的指令预取，当一条指令执行到最后一个时钟周期时，CU单元就会发送取指信号，进行指令执行级的预取指动作，下一条指令的操作码即被预取出来(指令队列为空时需等待)，并立刻进行译码确定指令的字节长度和指令执行周期数。

　　如图4所示，在加法指令的最后一个周期(cycle=05)，CU单元取指信号codefetche有效，则下一条指令的操作码(6C，乘法操作码)被预取出来，同时进行查表译码确定其指令字节长度和指令周期数，随后操作码被存入指令寄存器instr中(此时，指令周期计数器cycle又从01开始计数)。后面乘法指令的操作数也会不断被取进来执行，直到乘法指令最后一个周期时，又将下一条指令的操作码预取进来。