兼容PIC16F62X指令集的8位MCU芯片XD1708的设计与实现

摘要

随着集成电路的快速发展，基于MCU的嵌入式应用广泛地活跃在生活中，如洗衣机、吹风机、玩具以及汽车等。MCU作为核心控制芯片，是集成电路不可或缺的部分。目前市场中大部分的MCU是基于第三方IP模块开发的，依赖性强，成本高，故自主研发MCU，掌握核心技术是非常必要的。基于科研项目需要，本文设计了一款兼容PIC16F62X指令集的8位MCU芯片。
　　本芯片采用哈佛架构，数据总线独立于程序总线，数据总线宽8位，程序总线宽14位。芯片兼容PIC16F62X指令集，包括35条指令，指令宽度固定为14位，译码结构简单，可有效降低电路的复杂度。本芯片的SLEEP指令可降低芯片的功耗。为实现MCU的实时控制能力，设计采用内外两类中断信号以及多种中断源，中断可唤醒睡眠。本设计带有8个GPIO口，可灵活地配置输入输出。为降低芯片的成本，本芯片的程序存储器与数据存储器为自主研发。程序存储器采用MROM实现，存储空间为14bits×8k。数据存储器采用SRAM实现，存储空间为8bits×336。
　　芯片分为数字与模拟两部分。数字部分由内核与外设构成，采用自顶向下的设计方法，运用硬件描述语言Verilog进行模块的设计。设计使用Modelsim软件进行功能仿真，采用Mplab软件编写C程序并生成二进制程序。功能仿真正确后，使用Altera公司的CyclongⅣ搭建硬件验证电路完成验证，并借助Matlab分析数据。采用Design Compiler软件综合硬件描述语言电路。采用Encounter软件设计版图。模拟部分由存储、电源以及电平转换电路等构成。在Cadence virtuoso环境中，采用CMOS晶体管搭建可重复使用的基本功能单元，使用 Hspice仿真模型进行功能仿真。仿真和验证结果表明，芯片可正常工作。
　　本设计采用Magnachip0.18μm1.8V CMOS工艺实现并投片。测试分析表明，本设计的内核与MROM可正常工作。
　　在后续的设计中，提高 SRAM的稳定性，进一步降低芯片的功耗。本设计采用哈佛结构，可改进为多流水线指令执行结构，提升指令执行速度。当然，针对本设计开发良好的应用也是非常重要的。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外现状与发展趋势

1.3 研究内容、方法与结果

1.4 章节安排

第二章 XD1708的架构分析与模块划分

2.1 芯片的架构分析

2.2 芯片的模块划分

2.3 小结

第三章 XD1708的模块设计

3.1 内核的设计

3.2 外设的设计

3.3 MROM的设计

3.4 SRAM的设计

3.5 小结

第四章 XD1708数字部分的仿真与验证

4.1 数字部分的仿真

4.2 数字部分的验证

4.3 小结

第五章 数字后端设计

5.1 电路的综合

5.2 静态时序分析

5.3 自动布局布线

5.4 小结

第六章 XD1708的应用电路设计与测试

6.1 应用电路设计

6.2 芯片测试

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1 研究结论

7.2 研究展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

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