單片機設計中微處理器芯片：設計指南，功能和特性

2020-09-16

技術(shù)與自然一樣，也在不斷發(fā)展。因此，邏輯上存在這種演變的起點(diǎn)是合乎邏輯的。關(guān)于我們的自然起源的爭論就像超新星爆發(fā)之前的一刻一樣激烈-更不用說(shuō)即使在存在數百萬(wàn)年之后仍然沒(méi)有達成共識的事實(shí)。

關(guān)于技術(shù)，我們也有爭論，例如第一個(gè)微處理器的起源。電子領(lǐng)域的許多人都將英特爾的4位4004芯片視為世界上第一個(gè)微處理器。但是，這種說(shuō)法有對手，因此，辯論的實(shí)質(zhì)。除了爭論之外，讓我們更深入地研究微處理器芯片的起源，特征，功能和設計準則。 

微處理器的起源

第一個(gè)微處理器的起源很復雜，因為它可以追溯到1940年代。在所有電子產(chǎn)品（包括從無(wú)線(xiàn)電到超級計算機在內的所有電子產(chǎn)品）的中心，存在著(zhù)一種共性。我說(shuō)的共同點(diǎn)是晶體管，即電子放大器和開(kāi)關(guān)。所有電子產(chǎn)品都利用了這一功能，因此可以辯稱(chēng)其于1947年的發(fā)明標志著(zhù)現代電子產(chǎn)品的開(kāi)始。

不管微處理器芯片的確切時(shí)間和原產(chǎn)地如何，在設計，性能和功能方面，它的演變都沒(méi)有爭議。

微處理器芯片設計

將CPU的功能集成到多個(gè)或單個(gè)IC上并具有MOSFET結構的計算機處理器稱(chēng)為微處理器。微處理器是一種通用的，基于寄存器的，時(shí)鐘驅動(dòng)的數字IC，其利用二進(jìn)制數據作為其輸入。而且，它根據存儲在其內存中的指令處理該數據，并提供二進(jìn)制結果作為其輸出。

就功能特性而言，微處理器既包含順序數字邏輯又包含組合邏輯。它利用二進(jìn)制數字系統，該系統通過(guò)同時(shí)使用數字和符號來(lái)表示。通常，微處理器是計算機系統的關(guān)鍵單元，它執行必要的算術(shù)和邏輯運算。這些操作通常將包括諸如減法，加法，數字之間的比較以及各個(gè)區域之間的數字均勻轉移之類(lèi)的功能。

CPU是整個(gè)微處理器功能設計的重要組成部分。如您所知，CPU包含算術(shù)和邏輯單元，控制單元，高速緩存（內存）和寄存器。在功能方面，CPU的每個(gè)組件或部分都有特定的任務(wù)。例如，邏輯單元將處理指令，并且關(guān)于操作標準，將其對指令的處理順序基于系統的要求。

微處理器芯片設計續

如果要設計新的微處理器或微控制器單元，則必須遵循一些一般規則或步驟。遵守這些步驟將產(chǎn)生合理且合乎邏輯的處理流程。并且，就像電子領(lǐng)域的大多數事物一樣，這些步驟可以進(jìn)一步劃分以確保設計準確性和設備的適當功能。這些步驟如下：

確定新處理器將具有或需要具備的功能。

提供數據路徑的布局以管理所需的功能。

描述機器代碼指令格式或指令集體系結構（ISA）。

建立必要的邏輯來(lái)控制數據路徑。

讓我們將這些步驟分解為更多細節。 

確定微處理器功能

在設計微處理器之前，必須確定設計需求。這是未來(lái)設計步驟所基于的定義步驟。為了準確評估此需求，您必須首先回答以下問(wèn)題：

芯片類(lèi)型：通用芯片還是嵌入式芯片等？

設計參數：預算，處理器速度，構建資源，處理器功耗要求？

芯片功能：浮點(diǎn)，定點(diǎn)算術(shù)，整數還是三者的組合？

操作能力：矢量還是標量？

配置：設備齊全，還是需要與各種外部外圍設備接口？

中斷支持：可接受的中斷延遲容忍度是多少？

中斷響應抖動(dòng)容限是多少？

芯片是否支持有限的指令集或各種各樣的指令？

注意：增加指令量會(huì )增加設計難度，但易于使用和編程。相比之下，更少的指令產(chǎn)生相反的結果，通常會(huì )增加編程成本。

布置芯片的算術(shù)運算

乘法、除法、加法、減法、旋轉和移位等。

它的邏輯運算，例如NOT，OR，AND，NOR，XOR等。

其他基本功能，包括有條件的（什么條件）和無(wú)條件的跳轉，以及堆棧操作（例如，彈出，推入）

概述芯片功能可簡(jiǎn)化數據路徑布局和框架。

設計數據路徑

確定處理器將使用哪種算術(shù)邏輯單元（ALU）架構，例如

寄存器，堆棧，累加器或這三者的組合。

此處的決定將對最終設計產(chǎn)生最重大的影響。僅在做出這個(gè)至關(guān)重要的決定后才繼續進(jìn)行。之后，您可以創(chuàng )建您的存儲元件并布置算術(shù)邏輯單元。

創(chuàng )建指令集架構

以下是創(chuàng )建指令集體系結構時(shí)的注意事項：

處理器是RISC（精簡(jiǎn)指令集計算機），CISC（復雜指令集計算機）還是VLIW（長(cháng)指令字）嗎？

定義機器字長(cháng)。

您將如何處理即時(shí)價(jià)值？

哪些類(lèi)型的指令將獲得立即值？

處理器是否兼容高級語(yǔ)言？

建立控制數據路徑的必要邏輯

在數據路徑和ISA完好無(wú)損的情況下，我們現在可以集中精力為主控制單元構建必要的邏輯。通常，我們將這些單元實(shí)現為計算或有限狀態(tài)機的數學(xué)模型。嘗試將ISA邏輯映射到其控制單元。

設計地址路徑

簡(jiǎn)單的虛擬物理地址路徑可能滿(mǎn)足您的要求。大多數微處理器具有非常簡(jiǎn)單的地址路徑，其地址位來(lái)自PC，寄存器（程序員可見(jiàn)）或直接來(lái)自指令。但是，各種通用處理器擁有更復雜的地址路徑。

驗證設計

在電子領(lǐng)域，尤其是在PCBA領(lǐng)域，驗證設計普遍是項目中最關(guān)鍵的方面。這也適用于微處理器設計。微處理器設計人員通常比其他所有步驟合在一起需要更多的時(shí)間來(lái)驗證其設計。

微處理器標志著(zhù)現代計算的開(kāi)始。它們隨后的發(fā)展是對PCBA，計算需求以及行業(yè)中幾乎每個(gè)領(lǐng)域對技術(shù)進(jìn)步的需求的直接結果。對更高速度，更高級別功能和更好性能的需求確保了微處理器芯片設計將繼續發(fā)展。這主要是由于幾乎所有電子設備中都廣泛使用了處理器。