（微电子学与固体电子学专业论文）基于8位mcu核的智能编码asic设计.pdf

摘要 本论文的目的在于设计出具有智能编码功能的a s i c 。所采用的研究方法是： 在系统分析a s i c 设计技术以及所采用的m c u 内部系统结构之后，采取在8 位m c u 核 基础之上，运用与m e u 应用系统开发相同的手段，完成a s i c 所具有功能验证的全 部验证过程。更进一步地设计了编码发射和解码接收的实验电路。生成了能直 接在拥有该m c u 核的i c 制造厂家投片就能生产出该a s i c 的程序代码文件。 所选用的m c u 核是m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 x 系列中的1 6 c 5 4 ，该系列8 4 1 m c u 具有很多的优点，主要体现在宽字节单周期指令、哈佛双总线和r i s c 结构。这 使得它有着更快的指令执行速度。它的低功耗、强大的i o 端口特性、一次性编 程技术的低价格优点等都使得它具有很高的性价比。 该a s i c 最大拥有1 l 位的地址管脚，可提供多达1 0 2 4 ( 2 “) 个地址编码，因 此极大的减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使匹配的可能性，具有极强 的保密性和智能性。同时也使得它最多可拥有1 1 位的数据管脚，提供1 0 2 4 个数 据编码，可完成1 0 2 4 个状态控制。而且在11 , i l 地址数据码中，可自由分配地垃 码和数据码的位数，体现出完美的智能控制。可广泛的应用于家庭汽车安全系 统、车库控制、遥控风扇、遥控玩具和其它工业控制等领域。 本论文的创新之处，就是在设计中采用独特的编码方式，很大程度上地排 除了使用该编码a s i c 的不同遥控用户之间的相互干扰，而且在无线传输方式下， 编码信号能实现可靠传输和接收，使得该a s i c 具有高可靠性。 关键词：a s i cm c u 编码解码遥控 a b s tr a c t t h i sp u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nak i n do fi n t e l l e c te n c o d ea i s c t h e r e s e a r c hw a yi sa sf o l l o w e d ，a f t e ra n a l y s i sa l lk i n d so f d e s i g nw a y o ft h ea s i c ，a n d t h ei n n e rs y s t e ms t r u c t u r eo fm c u ，f i n i s hv e r i f i c a t i o no fa 1 1f u c t i o nb a s eo nt h e8b i t m c uc o r e t a k i n g aw a ya s s e m b l ew i t ht h ea p p l i c a t i o ns y s t e m d e v e l o po fm c u d e s i g nt h ec i r c u i t so fe n c o d ea n dd e c o d e a tl a s tp r o d u c et h em a c h i n ec o d ef i l e ， w h i c hc a nb eu s e dd i r e c t t yi nt h ei cm a n u f a c t u r ef a c t o r yt of u l f i l lt h ea s i c p r o d u c t t h es e l e c t e dm c uc o r ei st h ep i c l6 c 5 4 w h i c ho n ek i n do ft h em i c r o c h i p s p i c l 6 c 5 xs e r i e s ，t h i sk i n do f8b i ts e r i e sh a v em a n ym e r i t ，i tm a i n l yi n c l u d et h e w i d eb y t ea n ds i n g l ec y c l e ，a n dh a r v a r d d o u b l e b u s ，a n dr i s es t r u c t u r e a 1 lt h i s m e r i t sm a k ei t sh a v em o r es p e e di ni n s t r u c t i o ne x e c u t i n g t h i sa s i cc a na f f o r d1 1b i ta d d r e s sf o o ta tm o s t ，i e 1 0 2 4a d d r e s ss t a t e s ( 2 1 1 ) ， w h i c hd e c r e a s et h ec o l l i d eo fc o d e ，a n dt h e p r o b a b i l i t yo fs c a nt h ea d d r e s sp o r t i l l e g a l ，o nt h eo t h e rh a n d ，i ta l s oc a na f f o r d11 b i td a t af o o ta tm o s t ，i e 10 2 4d a t a s t a t e s ( 2 “) i tc a nb eu s e dw i d e l yi nf i e l d so f t h es e c u r i t ys y s t e mo f f a m i l i yc a r ，a n d t h eg a r a g ec o n t r o l ，a n dt h er e m o t ec o n t r o lf a n ，a n dt h er e m o t ec o n t r o lt o y ，a n do t h e r j n d u s t r i a 】c o n t r o if i e l d s a n ds oo n t h ec r e a t i v eo ft h i s p a p e ri st a k i n gas p e c i a le n c o d ew a y ，t h u si ta v o i dt h e d i s t u r b a n c ei nm u c hd e g r e eb e t w e e nt h ed i f f e r e n tu s e rw h o u s et h er e m o t ec o n t r o l e n c o d ea s i c f u r t h e r m o r e ，t h ee n c o d e s i g n a l c a nb et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e d r e l i a b l e ，w h i c hm a k ei th a v ev e r yh i g hr e l i a n c e ， k e yw o r d s ：a s i c ，m c u ，e n c o d e ，d e c o d e ，r e m o t ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另t l j i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：釜! f 渔猛 日期：删年月砂日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位沦文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主! i 遒箍导师签名：盎睦鲤丑 日期：工一3 年工月。千日 1 1a s i c 技术的发展 1 1 1a s i c 技术概述 第一章引言 专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 可分为门阵列 ( g a ) ，基于单元的i c ( c b i c ) ，可编程逻辑器( p l d 婿口全定制集成电路( f c c ) n 大 类产品。一般地说，可以：t a s i c 理解为“按用户提出的要求，能够以低的研制 成本在短期内交货的适宜于小批量生产的l s i v l s i 电路。 按设计方法的不同，a s i c 可分为半定制集成电路，全定制电路和p l d 。为了 满足短试制周期( t u r na r o u n dt i m e ，t a t ) 的用户要求，当前a s i c 设计大都采 用结构化的半定制设计方法。全定制集成电路包括门阵列，线性电路阵列、标 准单元、a s i c 微机和硅编译器半定制电路。全定制集成电路的所有掩模均为定 制，且只供一个用户使用。 从用户使用的观点看，a s i c 可划分为三类。一类是将现有的中小规模电路 直接以大规模的a s i c 电路来实现，即称之为胶接逻辑( g l u el o g i c ) ，使之转 化为a s i c 电路实现。其目的是降低生产成本、功耗和体积，以改进设备的可靠 性和简化组装要求，使产品在极短的时间里改观( 半年至一年) ，以提高市场 竞争力。这部分占a s i c 应用中的6 3 ，通常都采用门阵列实现。第二类是由于 处于安全性和功能上2 的考虑而使用a s i c ，当然上述的获益也同样包括在内，约 占a s i c 应用中的3 1 ，采用a s i c 电路包括门阵列和标准单元产品。其余6 是最 新的应用，目前这一数字更有扩大的趋势，即用单个硅片来代替完整的系统， 充分发挥v l s i 平d u l s i 功能，实现系统集成化。这些电路的集成度一般都超过5 0 0 0 门，可达好几十万门的规模。 1 12 设计的特点和方式 1 1 2 1 a s i c 设计开发的特点 a s i c 是为用户的特定系统而开发的芯片，a s i c 本质上是系统集成，它可能 是电子整机系统的一部分( 子系统) ，也可能是系统的整机，所以要求整机系 统的设计人员直接参与a s i c 的设计和开发。这样可把整机系统的设计思想延伸 到a s l c 的设计之中，使a s i c 的设计完全符合系统设计的要求和体现系统设计的 要求。这就使得a s i c 的设计队伍发生根本变化。大量的电路和系统设计者直接 从事a s i c 的设计。并要求a s i c 设计者具有系统、电路、工艺、测试和计算机等 多方面的知识。由于a s i c 品种多、批量小、功能强、开发周期短、成本低等特 点，设计任务十分繁重，必须有先进的c a d 系统作保证，这就是要求采用先进的 电子设计自动化( e d a ) 系统，借助c a d 技术进行系统和a s i c 的设计。这是一种 自上而下的设计方法，与传统的物理模型法大不一样。 a s i c 设计与开发的另一重要特点是，a s i c 的设计一定要针对将来加工制造 该a s i c 芯片的生产厂家的设计规则、工艺参数等要求进行设计，这是由于每个 芯片加工制造厂的设计规则、工业参数等有所不同，不可通用。 1 1 2 2a s l c 的设计方式 1 全定制设计方式 它适用于要求得到最高速度、最低功耗和最省i 枣片面积的芯片设计。这种 方法利用人机交互图形系统，由版图设计人员设计版图中各个器件和连线，但 效率很低，因而不适用于设计具有数十万个晶体管的v l s i 。 2 门阵列设计方式 门阵列是最早发展的a s i c 设计技术，它是以预先加工好的母片为基础的。 母片加工到金属互连工艺步骤之前为止，母片包括大量的相同单元和一定数目 的i o 缓冲器，压焊块数目从几十到数百个，形成不同的系列。组成门阵列的单 元可以是随机所使用的逻辑电路中最简单的与非门以及或非门，触发器或者是 由若干个门组成的逻辑器件，将他们规则而整齐的排列在硅片上，基本单元之 间亦不实现互连。这中不封装的半成品随手可以根据用户要求，在i cc a d 系统 帮助下，根据逻辑设计，用金属布线连接成具有特定功能的逻辑器件，再封装 成为成品。 3 基于单元的设计方式 为了缩短i c 的设计周期，6 0 年代中期提出了标准单元( s t a n d a r dc e l l ) 设 计方式。首先将逻辑电路按功能分为许多常用单元，将这些单元精心设计、生 产验证，存于单元库各用。当设计a s i c 时，借助与i cc a d 系统，调用所需库单 元，组成用户所要求的电路，这种电路称为基于单元的集成电路( c b i c ) 。 随着v l s i 技术的发展，标准单元法所建的单元库也愈来愈丰富，而某些单 元的电路也愈来愈负责，用有限高度而宽度不限的几何形状设计复杂的电路并 非合理，有时要浪费芯片面积。因此又开发了不等高也不等宽的任意元胞( 多 胞法) ，又称积木式版图设计( b u i l d i n gb l o c kl a y o u t ，b b l ) 。 4 l d 和f p g a 设计方式 可编程逻辑器件( p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 是一种在市场可以买 到的a s i c 。工厂出售的p l d 着d f p g a 不是最终产品，而是由用户购买相应的开发系 统软件，利用一定的硬件才能实现用户逻辑。 1 - 2m c u 技术的发展 1 2 1m c u 自, o 发展历程 单片微型计算机，作为微型计算机家族中的一员、发展中的一个分支，以 其独特的结构和优点，越来越深受各个应用领域的关注和重视，应用十分广泛， 发展极快。在国内，尽管开发与应用单片微机的时间不长，但取得了很大的发 展且成效显著。目前已广泛而成功地应用于自动测控、智能仪表、各类设备、 军事装置以及家用电器、社会用品等各个方面。 7 0 年代中期是8 位微型计算机的极盛时期，为满足更广泛的实时应用的需 要，从微型计算机家族中派生出新的一员，形成了一个新的发展分支：单片微 型计算机的诞生和发展。它以价格低廉、功能完善、面向实时控制为特征；它 打破了典型微机按逻辑功能划分单晶芯片结构的传统概念；以不求规模大、力 争小而全为宗旨，在块芯片上集成了构成一台计算机的主要部件：中央处理 器( c p u ) 、存储器( r a m r o m ) 、i 0 接口以及其它有关功能部件。这样，块芯 片就构成了一台计算机，故称为单晶片微型计算机，简称单片微机。 1 9 7 6 年9 月，美国i n t e l 公司的m c s 一4 8 单片微机问世，它成为单片微机划时 代的里程碑，标志着大规模集成技术和计算机技术的伟大成就：在一块单晶芯 片上集成了一台计算机。其后针对不同用户的需要，又研制出各个祝种，形成 了m c s 一4 8 系列单片微机。接着，美国m o s t e k 矛d 仙童公司共同研制、生产了3 8 7 0 系列单片微机，m o t o r o l a 公司推出了m c 6 8 0 1 系列单片微机，而且各种8 位单片微 机也纷纷应运而生。 这阶段单片微机的特点是：片内配置的存储器( r a m r o m ) 容量及提供的寻 址空间较小( 内部r o m 容量不超过2 k 字节，r a m 不超过1 2 8 字节，寻址空间不超过 4 k 字节) ，只有并行i o 接口，运算指令功能较弱。这就限制了它的应用范围。 从性能上看，属低、中档产品。 3 随着集成技术的提高，h m o s 和c h m o s 技术的发展，单片微机的性能也随之发 展，高性能的8 位单片微机相继问世。 1 9 8 0 年i n t e l 公司在总结了m c s 一4 8 系列的基础上推出了8 位高档m c s 5 l 系 列单片微机。它与m c s 一4 8 系列相比，硅片面积扩大为原来的1 4 倍，片内程序存 储器( r o m e p r o m ) 容量为原来的4 倍，r a m 容量增加了1 倍，工作寄存器组扩大了 l 倍设有两个1 6 位定时器计数器；并行工0 接口增至4 个口共3 2 线，增设有 全双工串行i o 接口；扩充了指令功能，提高了执行速度；存储器寻址空间分 间扩大至 6 4 k b 等。可见，其功能有了很大的提高。 由于单片微机深受广大用户的欢迎，应用领域日趋广泛。因此，各家公司 都相继推出了新的高档8 位单片微机。例如：m o t o r o l a 公司推出了新的m c 6 8 0 1 系 列单片微机；z i l o g 公司推出了z 一8 系列单片微机；r o k w e l 公司推出了6 5 0 i 6 5 0 2 单片微机；n e c 公司推出了u c o m - 7 8 x x 系列单片微机；t i 公司推出了t m s 一 7 0 0 0 系列单片微机等。 这阶段的单片微机的特点是：片内r o m e p r o m 容量达4 k 一8 k 字节，r a m 达 1 2 8 2 5 6 字节，存储器寻址空间分别可达( r o f l r a m ) 6 4 k 字节，增设全双工串行 接口，扩充了中断源和优先级，部分单片微机还设置有a d 转换接口等，指令 功能进一步增强，除增设乘、除、比较等运算指令外，有的固化了b a s i c 、f o r t h 高级语言，有的可通过微程序化指令，为用户提供设计部分自己所需的指令， 使软件更灵活、方便，设有位处理功能，提高了运算速度。后继产品还将扩充 d m a 、显示接口、网络控制功能等。因此，这类单片微机大大拓宽了应用领域， 适用于复杂的自动测控系统、智能化、自动化、单片微机局部，网络等复杂的 应用系统。因此，这类产品属8 位高档单片微机系列。 1 9 8 3 年i n t e l 公司推出了新的1 6 位m c s 9 6 系列单片微机。在一块：芯片上 集成了1 3 万以上个管子。片内设有字长1 6 位的c p u ，没有累加器，而是采用寄存 器一寄存器结构，8 k 字节的r o m ，2 3 2 字节的r a m ，5 个8 位的i o n 口，一个全 双工i o 端口，专门的波特率发生器，具有高速的i o 系统，4 或8 通道的1 0 位a d 转换器，8 个中断源。此外，设有脉宽调制输出装置，1 6 位的监视定时器，4 个】6 位的软件定时器和2 个1 6 位的定时器计数器。可实现位、字节、字( 1 6 位) 、 双字( 3 2 位) 操作，设有1 6 1 6 位或3 2 1 6 位的乘、除法运算。另外还可配置面 向控制的p l m 、f o r t h 语言等。 紧接着，其他公司也都先后推出1 6 位的单片微机系列。例如：m o t o r o l a 公 司采用新的模块化设计技术，生产出m c f 8 h c l 6 2 11 6 位单片微机，它由内部模块 总线( 1 m b ) 、c p u1 6 是一个真正的1 6 位高速c p u ，它与8 位的m c 6 8 h c l l c p u n 上兼 容，具有两个1 6 位的通用累加器和三个1 6 位的变址寄存器，支持8 位、1 6 位、3 2 位的存储和算术运算。它可寻址l m 字节的数据存储空间和l m 字节的程序存储空 间。它具有适合控制要求的数字信号处理( d s p ) 功能。它支持高级语言，允许使 用高级语言( c 语言) 来编写控制源程序，从而可大大缩短软件设计时间。相比之 下，这是1 6 位单片微机中功能最强的一种。如m o s t e k 公司推出了6 8 2 0 0 1 6 位单片 微机，适用于微机局部网络；t i 公司推出了t m s - - 9 9 0 0 系列1 6 位单片微机；日本 国三菱公司研制出的第一台1 6 位c m o s 2 k 艺的单片微机，其功能可与当时的一台 多片机系统媲美。 近几年，i n t e l 、m o t o r o l a 等公司又先后推出更高档的3 2 位单片微机，其功 能极强，主要应用于复杂的高层次系统中。 1 2 2 现状及发展趋势 随着科学技术的进步，单片微机发展特别迅速，8 位机中、低档单片微机逐 渐被淘汰，新的模块化高性能的大容量多功能的新型单片微机正不断涌现，各 个领域的应用也向微控制器厂商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、 体积更小、价格更廉以及组成系统时所需的外围器件更少；随着越来越多的各 种非电子工程技术人员的应用需求，他们把微控制器作为嵌入式部件应用到自 己熟悉的领域中，还提出更简单易学的要求。用户的需求就是厂商的市场和动 力，老的半导体厂商顺应潮流不断推出新品种，新的半导体厂商则后来居上， 把越来越多的外围接口器件集成到片内，功能越来强、性能越来越高。迄今， 至少已有3 5 家半导体厂商的微控制器进入中国市场。应该说，每一厂商的微控 制器能在市场上占有一定份额肯定有它存在的道理，即各个不同公司到底芯片 有它自己的特点才能吸引住有特定要求的用户。从消费电子产品、电讯通信、 智能仪器仪表到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域都有着广泛的应用。 今后一段时期内，单片微机的发展总趋势将具有以下特点： 1 ) 不断推出高档、高性能单片微机 不断向高水平方向发展。继1 6 位单片微机之后又推出y 3 2 位单片微机。 美国i n t e l 公司推出的3 2 位m c s 一8 0 9 6 0 单片微机系列，共有8 0 9 6 0 k b 、 8 0 9 6 0 k a 、8 0 9 6 0 m c 、8 0 9 6 0 c a 四种机型。采用5 u mc h m o s 工艺、新型r i s c 结构。 5 当主频为2 0 m t z 时，其性能是v a xi i 7 8 0 的，7 8 倍。最高主频可达3 3 m h z ，峰 值达6 6 m h z ，一般运算速度达2 0 m i p s ，设有d m a 总线、中断控制器( 3 2 级2 5 6 个中 断矢量) 、1 k 字节高速缓冲器、4 个8 0 位浮点寄存器、多端口寄存器阵列、多重 并行执行单元飞多重内部总线、浮点运算器等等。 m o t o r o l a 推出了具有极高集成度的3 2 位m c 6 8 h c 3 3 2 单片微机系列，亦采用新 型r i s c 结构，由5 个模块组成：一个指令系统进一步优化了的6 8 0 2 0 c p u ；一个基 于r i s c 结构的专用定时、事件控制单元( t p u ) ；一个可完成同步、异步通信的专 用模块( q s m ) ；一个减少系统外部逻辑元件及提供片上系统排错能力的集成模块 ( s i m ) ；2 k b 高速静态r a m 。c p u 和t p u 各自独立，t p u r i s c t 旨令可同时处理1 6 个定 时事件而无需c p u 干预。c p u 与6 8 0 0 0 兼容，具有虚拟支持，循环方式操作先行 指令栈等3 2 位运算，具有极强的寻址功能，加强的高级语言编译器，主频为3 2 m h z 时系统工作频率为1 6 7 8 m h z ，而且运算速度可动态改变。 从上可见，3 2 位单片微机具有极强的功能，可应用于极其复杂的控制系统， 例如汽车发动机、航天航空、高级机器人、通信系统等。3 2 位单片微机从根本 上改变了传统控制器的面貌，为控制器开拓了新的应用领域。 2 ) 高新技术下移，重点提高8 位单片微机性能 8 位字长已能基本满足大量的般的实时测控系统的需要，因此这档单片微 机的市场销售量最大，竞争最激烈。所以，各家公司目前以8 位单片微机作为主 流，重点发展。主要措施是把高档1 6 位单片微机的功能下移，着力于增强和提 高8 位单片微机的性能，以满足不同用户的各种需要。 其中m o t o r o l a 公司推出的m c 6 8 h c l l 最具代表性，它设有一个高性能的8 位 c p u ，a 、b 两个8 位累加器，可联成一个1 6 位累加器，两个1 6 位变址寄存器x 、y ， 1 6 位s p ( 堆栈) 指针。因此，可实现1 6 位运算。设有4 7 个并行i o 口，有s c l 年d s p i 两个串行口，9 功能定时器系统，8 路8 位a d 转换器，实时中断，监视系统 等。片内可4 k b 一3 2 k b r o m 或e p r o m ，5 1 2 b 2 k be e p r o m ，可设置程序的保密性， 既可单片工作又可外部功能扩展。有的机种设有4 6 个p w m ，4 个d m a 、协处理机， 还有m m u ，可寻址1 m b 地址空间。可见其功能之强。其它公司也都不断推出新的 功能极强的机种。例如：z i l o g 公司的z 一8 ，p h i p s 的8 3 c 5 5 2 ，i n t e l 的8 3 c 1 5 2 ， 8 3 c 5 lf a f b f c 等，都在原有基础上增强了很多功能。 3 ) 不断采用新工艺，实现低功耗、宽电压、高速度、高可靠性 随着半导体技术的发展，单片微机的新工艺不断更新，从而实现： 由于集成度的提高，使片内存储器r o m e p r o m 的容量从4 k b 2 4 k b 、3 2 k b ， r a m 从6 4 b 2 k b ，e e p r o m 从5 1 2 b 2 k b 。 由于新工艺的采用，单片微机的功耗已降低到u a 级；主频从4 m h z s m h z 、 提高多j 2 4 m h z 、3 3 m h z 等，大大提高了单片微机的处理速度：拓宽了供电范围 从原来的+ 5 v j 0 发展i i j 2 7 v ，在很宽范围内均可正常工作，并满足了电 池供电的要求。 为满足实时应用中高可靠性的要求，当前单片微机采取了提高可靠性措施， 设置了多种监视功能，以防止主机死机，加宽了工作环境温度，一般可在一 4 0 8 5 范围内正常工作。 4 ) 日趋单片应用 随着集成技术的提高与发展，可以把所需功能都集成在片内，真正做到一 片就是一台计算机，不需外部功能扩展。为满足不同应用的需要，同一系列均 生产有十多种，乃至几十种机种，以满足用户的最佳选择。这样可简化计算机 部分硬件设计，降低成本，提高可靠性，缩小电路占用空间。这方面美国m o t o r o l a 单片微机最为典型，其它公司也都反映这一发展特点。 由于单片微机极适合我国的国情和需要，所以单片微机在我国开发、应用 虽仅十几年的历史，应用却已十分广泛、成绩巨大，并已形成了一支相当规模 的单片微机开发、应用高科技队伍，正进行的以普及单片微机开发、应用为特 征的传统工业技术改造，以及新产品的更新换代，进一步促进了我国工业自动 化进程的局面已经形成，并将飞速发展。 1 3 课题来源及成果介绍 目前市场上有一些类似的本论文要实现的编码a s i c ，应用于汽车、通信、 家用电器等领域，用于实现保密控制和遥控等方面，由于这类芯片采用的底层 的设计方法，开发周期长、见效慢、成本高等因素使得这类产品的价格确相对 昂贵，雨且，这些产品一般来说，功能简单，可靠性和保密性不高。以至于不 能被广泛运用于各行各业中，甚至不能被应用于本来应该使用的领域，而且不 能很快的根据市场的需要开发出新产品。 另一方面，该类型的编码a s i c 有着广泛的应用空间，在社会生活的每个领 域几乎都可使用到。通过采用新型的设计方法，设计出类似的功能更强大、更 加可靠性和保密性的编码a s i c ，具有很大的市场价值和社会价值。基于m c u 内核 7 的a s i c 设计方法，有着开发周期短、见效快、成本低等优点，故自拟课题开发 一款功能更完备、可靠性和保密性都更高的编码a s i c 。 我曾经参加过基于8 位m c u 核的无线鼠标编码a s i c 的设计，该鼠标编码a s i c 所采用的设计方法与本论文的设计方式一致。该a s i c 运用于无线鼠标中，可靠 性非常良好，自该无线鼠标成功投放市场以来，用户反映良好，没有出现由于 编码a s i c 设计不完善而带来的问题。 基于m c u 核的设计方法是在蚶c u 核基础之上进行a s i c 的设计。该方法总的来 说，就是先制订a s i c 芯片要实现的功能：再选取一定类型和型号的m c u 内核，采 用汇编或c 语言编制实现功能需要的控制程序、在m c u 基础之上进行仿真调试， 该阶段设计开发过程与单片微机的应用开发系统的流程相同；然后运用功能仿 真调试通过的程序代码文件，在拥有该m c u 核的集成电路制造厂家投片，就可以 生产出a s i c 芯片。该设计方法与具体的i c 制造工艺流程无关，也与i c 底层的版 图设计无关，只是强调从行为级着手实现a s i c 要实现的功能。这样，就可以使 更多的对集成电路底层设计不甚清楚的电子工程设计人员，能够进行集成电路 的设计。其设计方法与思路与采取v h d l 语言进行t o p d o w n 的a s i c 设计有所类似。 因此，本论文的工作是在以往经实践证明有效的、比较成熟的单片机应用 系统开发技术的基础上，结合成熟的a s i c 设计技术之上，根据实际功能需要作 进一步继承、变化、发展和应用，而且本人经历过这样的成功的先例，因此开 发出这款论文工作切实可行。 第二章p ic 系列m c u 特性分析 美l 虱m i c r o c h i p 技术公司经过十多年的努力在嵌入式控制技术领域已经成为 先进技术的先锋。推出的p i c 8 位微控制器系列是业内率先采用精简指令集计算 机( r i s c ) 结构的高性能价格比的嵌入式控制器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 。其 高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力，一次性编程( o t p ) 芯片的低价位、小体积等，都体现了微控制器工业发展的新趋势。 2 1p i c 微控制器的结构及特点 2 1 1p i c 系列微控制器的特点 2 1 1 1 结构特点 1 r 1 s c 1 i k e 计算机结构 m i c r o c h i p 技术公司具有先进的类一精简指令集计算机结构( r i s c 1 i k e r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r - l i k e ) 的p i c 系列微控制器的简洁性，为8 位微计 算机市场设立了一种事实上的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能， p i c 微控制器采用了小型机设计结构。先进的类一r i s c 结构体现在每一条高效率 和功能强大的指令上。三个系列微控制器的指令都是单字的宽字位指令：低档、 中档和高档系列的指令位数分别为1 2 、1 4 和1 6 位，且分别只有3 3 、3 5 9 h 5 8 条指 令，它们向上兼容。其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其他 指令都是单周期、单字指令，在这些指令中，没有功能相交叉的指令，使所有 的指令具有简洁性：而一般c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构的 微控制器通常有5 0 至j j l l o 条多字节多周期的指令。单宽字指令提高了软件编码的 效率和减少了所需要的程序存储器单元，使系统具有最高处理效率和突出性能。 另外，由于所用指令数较少和较简洁，编程任务和调试任务相对就比较容易， 而且学习和实现都非常快。在相同情况下，p i c 微控制器所需要的编码比一般微 控制器要少一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约3 0 。 ( 1 ) 指令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指 令的取指，最大限度地提高了每一个内部时钟周期的效率。 ( 2 ) 高速的指令执行时间，在2 5m h z 时可快达1 6 0 n s 。在单周期内可以对i 0 口的任一位直接进行位操作。程序分支指令c a l l 、g o t o u 在p c l 上的操作需要 两个周期的执行时间，在2 0 m h z 的情况下为4 0 0 n s 。 2h a r v a r d 双总线结构 其存储结构是基于哈佛双总线结构概念，数据和指令传输总线完全分开以 避免出现典型的普通c i s c 设计中经常出现的处理瓶颈问题。 传统冯诺依曼结构的计算机是在同一存储空间取指令和数据( 即普林斯顿 结构) ，两者不能同时进行，故限制了工作带宽。 而在哈佛结构的计算机中，指令和数据空间是完全分开的，个用于指令， 另一个用于数据。由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐 率。正因为在p i c 系列微控制器中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制 器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8 位的， 但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为1 2 、1 4 和1 6 位。( 图2 一1 ) 是 表示冯诺依曼结构和哈佛结构的两种不同结构的示意图。 陋吲粼据i 建瓣麟， 图2 1两种不同结构的示意图 3 两级指令流水线结构 p i c 微控制器的取指和执行采用指令流水线结构( 图2 2 ) ，当一条指令被 执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 在大多数微控制器中，取指和执行指令都是顺序进行的。而在指令流水线结构 中，取指和执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。 周期d周期l周期2周期3周期4 圈2 2指令流水线结构示意图 10 只有涉及到改变程序计数器p c ( p r o g r a mc o u n t e r ) 值的程序分支指令( 例如 g o t o 、c a l l 或对p c 写操作等) 才需要两个周期。 4 寄存器组 p i c 的结构特点还体现在寄存器组，如( 图2 3 ) 。所有的寄存器，包括i 0 、 定时器和程序计数器等都是采用r a m 结构形式，而且都只需要一个周期就可以 完成访问和操作。而大多数其他微控制器都需要两个或两个以上的周期才 能改变寄存器的内容。 。 图2 3寄存器组示意图 5 一次性编程o t p 技术 p i c l 6 1 7 系列微控制器的独特之处在于兼有r i s c 处理器的高性能和一次 性编程技术的低价格优点。低价格o t p 芯片在价格方面已接近于掩模r o m 芯片 的价格，但是它具有的适于小批量试制和生产的灵活性是掩模r o m 所不具有的， 所以它具有极强的市场竞争力。这种o t p 芯片给用户带来的好处归纳起来有如 下几点：快速进入市场；便于修改编码；对最终用户可以提供最佳的解 决方案；减少生产厂家的剩余积压：减少生产厂家的库存周转量：减少 可能需要处理的工作。 p 1 c 系列微控制器市场份额不断增高的一个因素，就是其推出低价位的一 次性编程芯片。在当前竞争激烈的电子产品市场，需要及时对市场需求作出响 应，以适应小批量多品种的生产策略。采用过去掩模r o m 芯片进入市场，虽然 可以降低成本和提高可靠性，但是掩模需要大批量定制，周期长，更重要的是 风险大。而采用一次性编程技术后，不但可以大大缩短产品上市周期，可以根 】1 据需要随时更改程序，根据市场需求做出快速响应，还可以降低开发成本，减 轻库存压力，避免批量定制带来的风险。其竞争力还表现在这种芯片的价格已 经接近掩模r o m 芯片的水平，用这种芯片取代掩模r o m ，看起来价格略高于掩 模r o m ，实际上由于大大减小了投资风险，提供了灵活性，所以最终可以节省 大量的成本。 m i c r o c h i p 基于e p r o m 的o t p 技术与过去可靠性很差的“熔丝式”一次性编 程p r o m 技术完全不同，它实际上是用不带窗口的e p r o m 芯片实现的，与 e p r o m 芯片的不同点仅在于封装不同。在出厂前，所有芯片都进行过测试( 而过 去的p r o m 是无法测试的) ，以保证可靠性。 在市场越来越具有竞争的情况下，迅速把产品推上市场对于厂商来说是至关 重要的。产品的开发到上市整个过程要经过一系列的环节：开发、采购、生产、 打市场和销售等。现场可编程0 t p 技术可以把所有产品生命周期中的环节集合在 一起，大大提高效率。 在产品早期开发阶段，一个可编程微控制器允许用软件实现许多功能，在需 要对系统进行修改时，用软件比用纯硬件电路实现要容易得多。 在制造阶段，要缩短产品生命周期曲线的关键主要是对库存量和制造周期时 问的管理。把库存压到最小就可能不满足不断发展更新的要求。用传统的基于 r o m 的微控制器就限制了。随菪产品的升级或对特定顾客提出的用户半定制产 品上市的速度。而用标准的基于o t p 技术的p i c l 6 1 7 系列微控制器就可以解决这 些问题。通过在不同的几个系统中使用同一种芯片而使器件库存得到高效率的 管理。由于购买同种芯片的量加大而可使成本降低。根据用户要求定制产品的 业务将会越来越多，利用o t p 器件就可以相当方便地满足客户要求。 o t p 是微控制器领域中的“灵活制造技术”。随着市场的竞争越来越激烈， 顾客指定产品的需求将在不断增长。具有快速改变响应的能力( 例如可以快速地 改变l c d 显示的外观形式，或者增加某个特性等) 就成了竞争的一个关键实力。 在制造厂商层面上对o t p 芯片进行编程可以很容易实现产品根据用户要求定 制，以满足特定用户的需要。产品定制可以显著地延长整个产品的生命周期以 提供更好的投资回报，并有助于减小竞争的威胁。 2 1 1 2 技术性能特点 1 高速度 l2 由于p 1 c 系列微控制器所用的宽字单周期指令、哈佛双总线币 i r i s c 结构，其 数据吞吐率最高可达6 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e r s e c o n d ，即每秒钟可执行6 0 0 万条指令) ，这几乎是其它大多数8 位微控制器的4 倍。 2 实时执行 对时间要求苛刻的应用，例如电机控制、高速i o 或串行数据位流操作等， p i c 系列微控制器可以提供一种新的低成本的解决方案。利用p 1 c 高性能算法处 理能力的实时性可以取代低效率的存储操作和精确度不高的查表法。 设计师还可以用p i c 微控制器，通过对其编程来取代那些低档的门阵列、 p l d 、胶合逻辑( g l u el o g i c ) 和多芯片状态机等设计来进一步开发其高性能价 格比的优点。p i c 微控制器除了其价格优势外，设计师还可以得到多方面的可 编程灵活性、强有力的控制器功能和节约空间的诸多好处。 3 低功耗 自于采用全静态c m o s 设计，电源操作能耗很低，但非常可靠。因为片内有 上电复位( p o r p o w e ro nr e s e t ) 电路、监视定时器电路和r c 振荡器电路选择 等，所以就不需要增加价格较高的片外支持的功能元器件，从而降低了系统成 本和系统功耗。p i c 的小晶片尺寸加上先进的c m o s 技术使芯片具有很宽的性能 范围以及低工作电流( 典型值：在3 v ，3 2 k h z 时工作电流为1 5 u a ) 和极小的待命状 态电流( 休眠方式3v 2 1 2 作情况下小于l u a ) 。低电流特性应用于长寿命电池供电的 系统是很理想的。 4 用户可选择振荡器 片内集成有带r c 振荡器的监视定时器，而且引进了“用户可选择振荡器” 的新设计概念，它允许用户在4 种从直流g t 2 0 m h z ( 2 0 0 n s ) 频率范围内选择一种振 荡器形式让芯片执行指令，以优化系统的功耗。这4 种振荡器方式是r c 型一低成 本的r c 振荡器，x t 型一标准的石英晶体振荡器，h s 一高速石英晶体振荡器和 l p 低功耗低频石英晶体振荡器。 5 程序代码加密保护 具有程度代码加密保护功能，可通过对片内e p r o m 保密设置进行加密。 6 功能强大的i o 性能 13 p i c 系列微控制器的一个特点就是其输入输出功能十分强大。芯片可以在 个指令周期内( 2 0 0 n s ) 对任何寄存器( 包括i 寄存器) 中任何一位完成位置“1 ”、 位清零和位测试功能。所以p i c 系列芯片与外部电路和接口效率非常高，可以用 来作为高速i o 控制器。 p i c 的i o 口有多种功能，通过软件配置，每2 个t o 弓1 脚都可以对输入和输出 分别分时多路复用，或者可以被编程呈高阻状态，例如可以支持用普通总线进 行多片配置。数据输入线允许有2 5 m a 的倒灌电流，可以直接驱动l e d 。 7 可编程的特殊外围接口特性 ( 1 ) 双1 0 4 2 2 0 k h z ，8 4 , 2 8 0 k h z 的p w m ( 脉宽调制) 接e l ； ( 2 ) 可多达8 个通道8 位、2 6 t s s a r a d 转换器； ( 3 ) 1 6 通道1 6 位单斜率积分a 转换器； f 4 ) 双5 m v 典型偏置的比较器； ( 5 ) 8 位d a 转换器； ( 6 ) 内部集成的温度传感器； ( 7 ) 内部集成的基准电压源； ( 8 ) 内部集成的振荡器； ( 9 ) 3 2 - 4 点阵多路复用的l c d 驱动器： ( 1 0 ) 8 9 位通用异步串行接收发送器u s a r t ( 串行通信接口) ； f 1 1 ) 用电池供电的实时时钟； f 1 2 ) 双1 6 位2 0 0 n s 捕捉寄存器； ( 1 3 ) 双1 6 位2 0 0 n s 比较输出接口； f 1 4 ) 并行从动( s l a v e ) 端口；