單片機設計中微處理器芯片：設計指南，功能和特性

2020-09-16

技術與自然一樣，也在不斷發展。因此，邏輯上存在這種演變的起點是合乎邏輯的。關于我們的自然起源的爭論就像超新星爆發之前的一刻一樣激烈-更不用說即使在存在數百萬年之后仍然沒有達成共識的事實。

關于技術，我們也有爭論，例如第一個微處理器的起源。電子領域的許多人都將英特爾的4位4004芯片視為世界上第一個微處理器。但是，這種說法有對手，因此，辯論的實質。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。在所有電子產品（包括從無線電到超級計算機在內的所有電子產品）的中心，存在著一種共性。我說的共同點是晶體管，即電子放大器和開關。所有電子產品都利用了這一功能，因此可以辯稱其于1947年的發明標志著現代電子產品的開始。

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

微處理器芯片設計

將CPU的功能集成到多個或單個IC上并具有MOSFET結構的計算機處理器稱為微處理器。微處理器是一種通用的，基于寄存器的，時鐘驅動的數字IC，其利用二進制數據作為其輸入。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。它利用二進制數字系統，該系統通過同時使用數字和符號來表示。通常，微處理器是計算機系統的關鍵單元，它執行必要的算術和邏輯運算。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區域之間的數字均勻轉移之類的功能。

CPU是整個微處理器功能設計的重要組成部分。如您所知，CPU包含算術和邏輯單元，控制單元，高速緩存（內存）和寄存器。在功能方面，CPU的每個組件或部分都有特定的任務。例如，邏輯單元將處理指令，并且關于操作標準，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。遵守這些步驟將產生合理且合乎邏輯的處理流程。并且，就像電子領域的大多數事物一樣，這些步驟可以進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題：

芯片類型：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，定點算術，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：增加指令量會增加設計難度，但易于使用和編程。相比之下，更少的指令產生相反的結果，通常會增加編程成本。

布置芯片的算術運算

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生最重大的影響。僅在做出這個至關重要的決定后才繼續進行。之后，您可以創建您的存儲元件并布置算術邏輯單元。

創建指令集架構

以下是創建指令集體系結構時的注意事項：

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

定義機器字長。

您將如何處理即時價值？

哪些類型的指令將獲得立即值？

處理器是否兼容高級語言？

建立控制數據路徑的必要邏輯

在數據路徑和ISA完好無損的情況下，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，我們將這些單元實現為計算或有限狀態機的數學模型。嘗試將ISA邏輯映射到其控制單元。

設計地址路徑

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

驗證設計

在電子領域，尤其是在PCBA領域，驗證設計普遍是項目中最關鍵的方面。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間來驗證其設計。

微處理器標志著現代計算的開始。它們隨后的發展是對PCBA，計算需求以及行業中幾乎每個領域對技術進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。