单片机设计中微处理(lǐ)器芯片：设计指南，功能(néng)和特性

2020-09-16

技术与自然一样，也在不断发展。因此，逻辑上存在这种演变的起点是合乎逻辑的。关于我们的自然起源的争论就像超新(xīn)星爆发之前的一刻一样激烈-更不用(yòng)说即使在存在数百万年之后仍然没有(yǒu)达成共识的事实。

关于技术，我们也有(yǒu)争论，例如第一个微处理(lǐ)器的起源。電(diàn)子领域的许多(duō)人都将英特尔的4位4004芯片视為(wèi)世界上第一个微处理(lǐ)器。但是，这种说法有(yǒu)对手，因此，辩论的实质。除了争论之外，让我们更深入地研究微处理(lǐ)器芯片的起源，特征，功能(néng)和设计准则。 

微处理(lǐ)器的起源

第一个微处理(lǐ)器的起源很(hěn)复杂，因為(wèi)它可(kě)以追溯到1940年代。在所有(yǒu)電(diàn)子产品（包括从无線(xiàn)電(diàn)到超级计算机在内的所有(yǒu)電(diàn)子产品）的中心，存在着一种共性。我说的共同点是晶體(tǐ)管，即電(diàn)子放大器和开关。所有(yǒu)電(diàn)子产品都利用(yòng)了这一功能(néng)，因此可(kě)以辩称其于1947年的发明标志(zhì)着现代電(diàn)子产品的开始。

不管微处理(lǐ)器芯片的确切时间和原产地如何，在设计，性能(néng)和功能(néng)方面，它的演变都没有(yǒu)争议。

微处理(lǐ)器芯片设计

将CPU的功能(néng)集成到多(duō)个或单个IC上并具有(yǒu)MOSFET结构的计算机处理(lǐ)器称為(wèi)微处理(lǐ)器。微处理(lǐ)器是一种通用(yòng)的，基于寄存器的，时钟驱动的数字IC，其利用(yòng)二进制数据作為(wèi)其输入。而且，它根据存储在其内存中的指令处理(lǐ)该数据，并提供二进制结果作為(wèi)其输出。

就功能(néng)特性而言，微处理(lǐ)器既包含顺序数字逻辑又(yòu)包含组合逻辑。它利用(yòng)二进制数字系统，该系统通过同时使用(yòng)数字和符号来表示。通常，微处理(lǐ)器是计算机系统的关键单元，它执行必要的算术和逻辑运算。这些操作通常将包括诸如减法，加法，数字之间的比较以及各个區(qū)域之间的数字均匀转移之类的功能(néng)。

CPU是整个微处理(lǐ)器功能(néng)设计的重要组成部分(fēn)。如您所知，CPU包含算术和逻辑单元，控制单元，高速缓存（内存）和寄存器。在功能(néng)方面，CPU的每个组件或部分(fēn)都有(yǒu)特定的任務(wù)。例如，逻辑单元将处理(lǐ)指令，并且关于操作标准，将其对指令的处理(lǐ)顺序基于系统的要求。

微处理(lǐ)器芯片设计续

如果要设计新(xīn)的微处理(lǐ)器或微控制器单元，则必须遵循一些一般规则或步骤。遵守这些步骤将产生合理(lǐ)且合乎逻辑的处理(lǐ)流程。并且，就像電(diàn)子领域的大多(duō)数事物(wù)一样，这些步骤可(kě)以进一步划分(fēn)以确保设计准确性和设备的适当功能(néng)。这些步骤如下：

确定新(xīn)处理(lǐ)器将具有(yǒu)或需要具备的功能(néng)。

提供数据路径的布局以管理(lǐ)所需的功能(néng)。

描述机器代码指令格式或指令集體(tǐ)系结构（ISA）。

建立必要的逻辑来控制数据路径。

让我们将这些步骤分(fēn)解為(wèi)更多(duō)细节。 

确定微处理(lǐ)器功能(néng)

在设计微处理(lǐ)器之前，必须确定设计需求。这是未来设计步骤所基于的定义步骤。為(wèi)了准确评估此需求，您必须首先回答(dá)以下问题：

芯片类型：通用(yòng)芯片还是嵌入式芯片等？

设计参数：预算，处理(lǐ)器速度，构建资源，处理(lǐ)器功耗要求？

芯片功能(néng)：浮点，定点算术，整数还是三者的组合？

操作能(néng)力：矢量还是标量？

配置：设备齐全，还是需要与各种外部外围设备接口？

中断支持：可(kě)接受的中断延迟容忍度是多(duō)少？

中断响应抖动容限是多(duō)少？

芯片是否支持有(yǒu)限的指令集或各种各样的指令？

注意：增加指令量会增加设计难度，但易于使用(yòng)和编程。相比之下，更少的指令产生相反的结果，通常会增加编程成本。

布置芯片的算术运算

乘法、除法、加法、减法、旋转和移位等。

它的逻辑运算，例如NOT，OR，AND，NOR，XOR等。

其他(tā)基本功能(néng)，包括有(yǒu)条件的（什么条件）和无条件的跳转，以及堆栈操作（例如，弹出，推入）

概述芯片功能(néng)可(kě)简化数据路径布局和框架。

设计数据路径

确定处理(lǐ)器将使用(yòng)哪种算术逻辑单元（ALU）架构，例如

寄存器，堆栈，累加器或这三者的组合。

此处的决定将对最终设计产生最重大的影响。仅在做出这个至关重要的决定后才继续进行。之后，您可(kě)以创建您的存储元件并布置算术逻辑单元。

创建指令集架构

以下是创建指令集體(tǐ)系结构时的注意事项：

处理(lǐ)器是RISC（精简指令集计算机），CISC（复杂指令集计算机）还是VLIW（長(cháng)指令字）吗？

定义机器字長(cháng)。

您将如何处理(lǐ)即时价值？

哪些类型的指令将获得立即值？

处理(lǐ)器是否兼容高级语言？

建立控制数据路径的必要逻辑

在数据路径和ISA完好无损的情况下，我们现在可(kě)以集中精力為(wèi)主控制单元构建必要的逻辑。通常，我们将这些单元实现為(wèi)计算或有(yǒu)限状态机的数學(xué)模型。尝试将ISA逻辑映射到其控制单元。

设计地址路径

简单的虚拟物(wù)理(lǐ)地址路径可(kě)能(néng)满足您的要求。大多(duō)数微处理(lǐ)器具有(yǒu)非常简单的地址路径，其地址位来自PC，寄存器（程序员可(kě)见）或直接来自指令。但是，各种通用(yòng)处理(lǐ)器拥有(yǒu)更复杂的地址路径。

验证设计

在電(diàn)子领域，尤其是在PCBA领域，验证设计普遍是项目中最关键的方面。这也适用(yòng)于微处理(lǐ)器设计。微处理(lǐ)器设计人员通常比其他(tā)所有(yǒu)步骤合在一起需要更多(duō)的时间来验证其设计。

微处理(lǐ)器标志(zhì)着现代计算的开始。它们随后的发展是对PCBA，计算需求以及行业中几乎每个领域对技术进步的需求的直接结果。对更高速度，更高级别功能(néng)和更好性能(néng)的需求确保了微处理(lǐ)器芯片设计将继续发展。这主要是由于几乎所有(yǒu)電(diàn)子设备中都广泛使用(yòng)了处理(lǐ)器。