安全车用微控制器地址部件与中断系统的设计与实现

摘要

汽车电子化大大推动了汽车技术的发展。为了紧跟汽车电子化进程，本文参与开发了一款拥有自主知识产权的16位车用微控制器ESNL-16。ESNL-16微控制器兼容飞思卡尔MC9S12系列微控制器体系结构，支持飞思卡尔CPU12指令集。ESNL-16微控制器主要由CPU、地址部件、中断部件、硬件断点部件、后台调试部件、复用外部总线接口部件以及大量的外围设备组成。
　　本文分析了ESNL-16微控制器体系结构，并完成了微控制器地址部件和中断系统的设计。第一、本文设计了一种能快速生成指令操作数地址的地址产生器、面积优化的存储单元选择器以及响应速度快的集中式总线控制器。本文设计的地址产生器能同时生成指令操作数地址和更新基址寄存器，减少了指令的执行周期，从而提高了微控制器的执行效率。第二、本文实现了具有实时控制、自动处理故障等功能的中断系统，包括可设置中断优先级的中断部件和灵活的硬件断点部件。本文设计的中断部件能快速响应外围设备的中断请求，提高了微控制器处理外部事件的能力，硬件断点部件提供了一种灵活的软件调试的方法。第三、为了提高微控制器自身的安全性，本文对轻量级分组加密算法PRESENT进行了研究与分析，提出了一种面积优化的可以抵抗DPA攻击的带掩码的PRESENT硬件结构，并将该结构集成在ESNL-16微控制器上。
　　最后，本文使用Verilog HDL硬件描述语言对地址部件和中断系统的设计进行了功能描述，并制定了一套有效的验证流程和验证策略，在Modelsim软件仿真平台和Xilinx FPGA硬件验证平台上，对设计进行了详细的功能验证。验证结果显示本文设计的地址部件和中断系统满足ESNL-16微控制器的功能需求。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 论文结构安排

第2章 微控制器内核概述

2.1 CPU12指令集

2.2 微控制器内核结构

2.2.1 内核总体结构

2.2.2 地址部件概述

2.2.3 中断部件概述

2.2.4 硬件断点部件概述

2.3 芯片开发流程与开发工具介绍

2.4 小结

第3章 微控制器地址部件的设计

3.1 数据通路与微指令设计

3.1.1 数据通路设计

3.1.2 微指令设计

3.2 CPU12指令集寻址模式分析

3.3 地址产生器的设计

3.3.1 地址生成算法

3.3.2 地址产生器逻辑结构设计

3.3.3 减少堆栈指令的执行周期

3.4 存储器结构与选择器设计

3.4.1 存储器结构设计

3.4.2 存储器扩展

3.4.3 存储单元选择器设计

3.5 总线控制

3.5.1 总线控制分析

3.5.2 总线控制器设计

3.6 小结

第4章 微控制器中断系统的设计

4.1 中断部件的设计

4.1.1 中断源概述

4.1.2 中断向量与中断优先级设置

4.1.3 中断部件逻辑电路设计

4.1.4 中断测试

4.2 硬件断点部件的设计

4.2.1 断点的分类

4.2.2 寄存器设计

4.2.3 硬件断点部件逻辑电路设计

4.3 小结

第5章 微控制器安全性的设计

5.1 微控制器安全性概述

5.2 PRESENT算法介绍

5.34位S-box的分类

5.4 数据加密模块的硬件结构

5.5 结果比较与分析

5.6 数据加密模块的设计

5.7 小结

第6章 微控制器验证

6.1 验证概述

6.2 验证流程和策略

6.3 系统级功能验证

6.3.1 验证平台的搭建

6.3.2 地址部件的验证

6.3.3 中断部件的验证

6.3.4 硬件断点部件的验证

6.4 系统级门级验证

6.5 FPGA系统板级验证

6.5.1 验证平台的搭建

6.5.2 验证程序与过程

6.6 微控制器性能分析与比较

6.7 小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录B 攻读硕士学位期间所参与的项目