（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式计算器单芯片的分析与设计.pdf

摘要 摘要 现代计算器使用一块集成电路j 岱片来完成各种运算、显示驱动和键盘接口等 完整功能，依赖的是高度集成的动态c m o s 逻辑和微码设计技术。但目j i 只有 发达国家的高级人才掌握并控制着这种技术。t 本论文以香港兴华半导体公司的计 算器单：占片c 9 8 2 l 为蓝本，采用了自顶向下和从底向上相结合的方法，对计算 器单芯片的硬件电路设计和软件编程方法进行了深入的研究与剖析终于掌握了 这种芯片的设计技术，并对c 9 8 2 1 进行了功能的改进与完善。 在硬件方面，在完成计算器的功能模块划分的基础上，对包括r c 振荡器、 电源模块、l c d 显示驱动模块、键盘接口、寄存器组、微程序控制器在内的各 个功能模块的系统结构和电路原理进行了分析，掌握了它们的设计方法。在软件 方面，破译了c 9 8 2 1 的指令系统，分析了指令译码电路的设计技术，分析了计 算器内b c d 码的四则运算及丌方运算算法，得到了实现c 9 8 2 l 全部功能的程序， 掌握了该计算器的程序设计方法。 最后，实现了c 9 8 2 1 产品的功能升级，开发出了一款新的计算器产品c 9 8 3 1 ， 这进一步表明本论文已掌握计算器芯片设计的核心技术。 关键词：计算器知程序控制器强件系统，指令软件 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a l lf u n c t i o n so f ac a l c u l a t o ri n c l u d i n g c a l c u l a t i n gu n i t s ，d i s p l a yd l i v e r ， k e y b o a r di n t e r f a c ea n d s oo n ，a r ei n t e g r a t e do no n es i n g l ec h i p a sk e yt e c l m o l o g yo f t h es i n g l ec h i pc a l c u l a t o r , t h eh i g l f l yi n t e g r a t e dd y n m n i cc m o sl o g i ci m p l e m e n ta n d t h em i c r op r o g r m nd e s i g na r en o wo w n e do n l yb yt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dk e p ti n s e c r e t b a s e do nt h ec o n j t r a c t i o no f “t o p d o w n a n d “b o t t o m u p ”d e s i g na p p r o a c h ，d i e h a r d w a r es y s t e ma n dm i c r op r o g r a md e s i g no ft h ec a l c u l a t o ri st h o r o u g h l ys t u d i e di n t h i s p a p e r , a n df i n a l l y h a sb e e nm a s t e r e d at y p i c a lc a l c u l a t o r c h i p f r o mr c l s e m i c o n d u c t o ri n c ，c 9 8 2 1 ，i sr e f e r e n c e da n dd e v e l o p e d t h ec h i po ft h ec a l c u l a t o rc o n s i s t so fs e v e r a lf u n c t i o nu n i t ss u c ha sr co s c i l l a t o r ， p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ( m c u ) ，r e g i s t e rg r o u p ， l c dd r i v e ra n dk e y b o a r di n t e r f a c e e a c hu n i ti se x t r a c t e df r o mt i l ec i r c u i t ，a n d i s a n a l y z e dd e t a i l e d l yi nf r a m e w o r k ，c o l f f i g u r a t i o na n dd e s i g na p p r o a c h t h ei n s t r u c t i o ns y s t e mo fc 9 8 21i su n s c r a m b l e dm a dt h e nt h ei n s t r u c t i o nd e c o d e a l g o r i t l m la r eo b t a h _ l e d t h ec o m p l e t ep r o g r a m o fc 9 8 21 i n c l u d i n gb a s i ca r i t h m e t i ca n d t o o ts q u a r eo p e r a t i o ni sr e a l i z e d f i n a l l y , an e wc a l c u l a t o rc h i pc 9 8 3 1i sd e s i g n e d ，t ow h i c hm o r ef u n c t i o n st h a n c 9 8 2 1a r ea d d e d t h i ss h o w st h a tt h ec o r et e c h n o l o g yo fc a l c u l a t o rd e s i g nh a sb e e n m a s t e r e d k e y w o r d ：c a l c u l a t o r m c u h a r d w a r es t r u c t u r e i n s t r u c t i o l l - s e t s o f t w a r ed e s i g n 第一章绪论 第一章绪论 集成电路计术和汁算机技术的发展影l t l ：, j t 我们生活的各个方面，微处理器技 术是这两种技术的集中反映。作为一种特殊的产品，电子计算器技术是微处理器 技术发展的一个分支。准确地说，正是计算器技术的发展导致了微处理器的出现。 1 1 电子计算器的发展历史 1 1 1 集成电路出现以前 算筹、算盘是人类最早的手动计算工具，机械式计算器则是在此之后出现的 一种用机械技术来实现数学运算的计算工具。从1 6 4 2 年法国人帕斯卡发明机械 式加法机起直到2 0 世纪初，机械式计算器的发展极其缓慢，主要集中在机器体 积的缩小和功能的小改进上，比如从最初只能进行加法辅助计算到后来能进行乘 除辅助计算等等。从2 0 世纪起，随着电子技术尤其是集成电路技术的发展，计 算器技术才得到了真正的发展，并且出现不同的发展方向。一是向着实现更加复 杂的功能方向发展，这就是计算机技术，以1 9 4 6 年e n i a c 的诞生标志着计算 机技术的新起点逐步发展到现在的第五代智能化计算机。另外一支并不是着重 功能的扩展而是向着体积缩小方向发展，即计算器技术。从某种程度上看，计算 机只是一种能执行充分复杂运算的计算器而已。当然随着技术的进步，现在的计 算器的功能也越来越强大。 2 0 世纪六、七十年代是计算器技术发展的黄金时期。在短短几年内，涌现 了很多公司从事计算器产品开发和生产，计算器技术也趋于成熟。1 9 6 0 年，第 一台桌面型电子计算器问世，它采用真空管作执行部件，用橙色放电管作显示。 刚刚发明的晶体管技术被用在了计算器里，1 9 6 4 年包括s h a r p 公司在内的几家 公司都推出了执行元件全为晶体管的桌面型计算器，但是体积仍然很大且价格高 昂，一台这样的计算器的价格同当时一部豪华家庭轿车的价格差不多，比如，1 9 6 8 年由h p ( h e w l e t t p a c k a r d ) 公司开发的世界上第一款科学计算器( h p 9 1o o a ) 当 时售价达4 9 0 0 美元。这制约了计算器技术的进一步发展。 1 1 2 集成电路出现后的计算器市场之争 直到1 9 5 8 年由t i 的j a c kk i l b y 和仙童半导体的r o b e r tn o y c e 发明了集成电 路才改变了这种状况。这以后一段时期内，计算器里用到的集成电路反映了电子 嵌入式计算器单芯片的分析与殴计 技术领域研究的最前沿技术，同计算机在当今的情形一样，计算器芯片也是集成 电路的主要产品形式。同现在人们希望把越来越多的晶体管集成到一个微处理器 ：一样，当删人们也把越来越多的计算器部件集成到芯片上。到1 9 6 9 年，由m o s t e k 公司设计的大规模集成电路：卷片m k 一6 0 1 0l s i 已经集成了完成计算器各种功能 所需的全部晶体管，并山日本b u s i c o m 公司应用到其产品n c r1 8 1 6 中，开始 了单芯片汁算器的历史。它不仅使计算器的功耗大大降低可咀采用电池供电， 而且使便携式计算器( p o c k e tc a l c u l a t o r ) 成为可能。同时使组装成本大幅下降， 促使了大批的计算器制造厂商的出现，展开了一场计算器市场之争。 对计算器技术发展，t i ( t e x a sl n s t r t u n e n t s ) 、1 n t e l 和h p 公司等在这一 时期起了关键作用。t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 开始开发手持计算器( h a n d h e l d c a l c u l a t o r ) ，在1 9 6 7 年完成了第一个模型“c a l - - t e c h ”，并申请了微型电 子计算器的专利，然后同日本的佳能( c a n o n ) 公司合作在1 9 7 1 年由c a n o n 推出了款售价仅为3 9 5 美元的计算器“p o c k e t r o n i c ”。同时h p 也开发成功便 携式科学计算器h p 一3 5 ，在1 9 7 2 年也以3 9 5 美元的价格推向市场。日本的 b u s i c o m 公司委托i n t e l 公司设计一种通用的计算器：芯片，期望只要修改存储 在该芯片上r o m 内的操作程序就可以得到不同功能的计算器。i n t e l 在1 9 7 1 年开发出微处理器芯片4 0 0 4 ，当辅以芯片4 0 0 1 ( 2 ，0 4 8 - b i tr o mm e m o r y ) 、4 0 0 2 f 3 2 0 b i tr a mm e m o r y ) 干t l4 0 0 3 ( 1 0 - b i ts h i f tr e g i s t e r ) 时，就能实现b u s i c o m 公司提 出的要求。b u s i c o m 将4 0 0 4 用到他们的计算器产品中，虽然以失败告终但是 4 0 0 4 成就了i n t e l 。i n t e l 意识到这种芯片在各种设备中的广泛应用前景，因 此将它命名为“微处理器”，并在业界迅速推广，后来又相继丌发了8 0 0 8 、8 0 8 0 等，直到现在的奔腾微处理器。所以，说微处理器的发展是计算器发展的结果并 不过分。 此时的欧洲，主要是生产计算尺( s l i d er u l e ) 的a r i s t o 、d e n n e r & p a p e 等传统厂家从t i 购进芯片涉足便携式电子计算器产品。随着t 1 自己渗透到计算 器终端产品市场，在1 9 7 2 年和1 9 7 3 年分别推出t i - - 2 5 0 0 、科学计算器s r 5 0 ， 计算器领域的竞争越来越激烈，计算尺淡出市场，很多公司也退出竞争。尤其是 7 0 年代后期，c m o s 工艺和l c d 显示器件的引入，不仅降低了计算器的功耗， 同时集成度的提高使功能可以更加复杂，也降低了成本，价格进一步降低，而技 术上已经基本成熟。到九十年代，市场竞争趋于稳定只有少数几家厂商幸存 下来其中包括美国的t i 、h p ，f i 本的s h a r p 、c a s i o 等。 第一章绪论 1 2 计算器发展现状和研究意义 1 2 1 国外情况 在国外，电子计算器在集成电路发明后，只用短短几年时间就完成了技术飞 跃，经过激烈的市场竞争，现在的计算器技术已经相当成熟。计算器已慢慢地脱 离原来的“辅助计算工具”的功能定位，正向着多功能化、可编程化方向发展， 在各个领域都得到了广泛的应用。用计算器不仅可以实现各种各样复杂的数学计 算，还可以用来编制、运行程序，甚至解方程组等，图形计算器还可以进行3 维 图形处理等等。计算器内置的软件允许用户进行类似于对计算机的文件和目录管 理等操作，允许用户对图形界面进行定制。同时各利新技术也被应用到计算器里， 使计算器功能越来越强大。可以晚，计算器就是一个“微微型”的计算机。 1 2 2 国内情况 国内也有厂商利用计算器芯片开发新的产品，比如开发p d a ，但对计算器 技术的研究、计算器芯片的设计还处于起步阶段。计算器的主要功能还是在于“计 算”，不妨称之为“低档计算器”。即便是对这种计算器，很多厂商也只从事计算 器的组装、销售业务。一些i c 设计公司、芯片提供商也开始研究计算器技术， 希望自主设计计算器芯片，但是到目前都还没有掌握计算器设计的核心技术。 1 3 本论文的研究意义和任务目标 1 3 1 研究意义 计算器市场仍然是半导体市场很重要的一部分。对计算器技术的研究仍然具 有一定的商业价值。尤其是在产品竞争日益激烈的今天，一个产品必须有其性能 优势，或者价格优势，或者较短的开发周期等，才能立于不败之地。 计算器的核心技术就是微处理器的核心技术。只要掌握了计算器的核心技 术，就可以更深一步探索微处理器的设计技术，设计新的微处理器。如果开发成 功，不仅可以填补国内计算器研究的空白，而且在此基础上可以开发新的应用产 品，比如研制电子字典、文曲星、电子书包等等，带来经济效益，也为我校今后 的v l s l 设计作技术积累。 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 1 3 2 本论文的任务目标 本论文的选题来源于香港兴华半导体公司( r c ls e m i c o n d u c t o r ) 与西安电 子科技大学微电子所的合作项目。兴华公司生产的计算器芯片最初由日本东京工 业大学设计，新产品的开发也完全依赖于日本，所以新产品丌发成本高，开发周 期也较长，往往因此错过很多市场良机。兴华公司与我校微电子所合作的最初目 的就是要掌握计算器芯片设计的核心技术，摆脱对日本的技术依赖关系，从而能 有效地缩短新品丌发周期和降低丌发成本，获取更大的利润空间。 所以这次毕业设计要求本论文达到的目标就是，掌握经济型计算器的设计技 术，最后要能够根据兴华公司提出的新产品技术要求，在较短时间内完成新产品 的开发。完成此目标的一个有利条件是可以参考兴华公司已有的计算器芯片 c 9 8 2 l 的版图。 1 3 3 本论文的设计方法 由于有兴华公司的计算器芯片作为参照，所以本论文采用正向设计同反向设 计相结合的方法。首先，采用自顶向下的设计方法，将计算器系统根据要求分成 功能子系统，针对每个功能子系统的要求得到其实现逻辑表达式，并参照c 9 8 2 1 的版图，设计用兴华公司工艺能够实现的电路形式；其次，根据计算器整个硬件 系统对存储的程序r o m 输出的响应破译其指令系统；然后，根据得到的指令 系统，仿真整个系统，验证设计的系统是否能够实现c 9 8 2 1 的功能；最后，研 究其软件设计技术，根据需要设计相应软件，开发新产品，并仿真验证。 经过努力，本论文最后得以顺利完成，实现了预期目标。本文就是这些分析 过程和改进设计的总结，结构大致如下：首先在第二章介绍了兴华公司的产品采 用的动态电路，对用动态电路设计系统应该注意的问题做了说明；然后在第三章 详细分析了计算器c 9 8 2 1 的硬件系统结构，将它划分成了各个功能子模块，然 后对各个模块的功能要求、内部结构做了深八分析：第四章介绍了c 9 8 2 1 指令 系统和指令译码电路；第五章分析了计算器内b c d 码四则运算和开方运算算法， 重点分析了加法算法和丌方算法：第六章给出了c 9 8 3 1 的设计过程和仿真结果。 第二章动态c m o s 集成电路设计 第二章动态c m o s 集成电路设计 c m o s 工艺是目前集成电路制造的主流工艺。实现计算器系统可以采用静 态c m o s 工艺，也可以采用动态c m o s 工艺。对于实现相同的功能而占，动奁 c m o s 需要的晶体管数目大大少于静态c m o s ，这样可以节省芯片面积，从而 降低芯片成本，所以经济型计算器芯片适宜采用动态c m o s 工艺实现。本章重 点介绍动态c m o s 集成电路设计。 2 1 静态c m o s 电路设计 c m o s 电路具有功耗低、门单元占用芯片面积少等优点，适用于超大规模 集成电路。静态c m o s 电路中由于有信号使m o s 晶体管保持导通或者截止，从 而能维持稳定的输出，只要不断电，总有到电源或者到地的通路，信息可以长久 保持。并且因为到地或者到电源的通路只有一个导通，所以可以设计得到无比电 路，电路的静态功耗特别低。 反相器是c m o s 电路的基本组成部件。一般来说，出于对称性设计考虑， 为了使p m o s 与n m o s 相同的k 因子，常常将p m o s 管的沟道宽长比( w l ) 设计为n m o s 管的2 至3 倍，这样得到的反相器具有相同的上升时间和下降时 间。同时反相器在级联驱动大负载时，其尺寸要专门设计。 对于传输f i n n 其他门电路，也存在对称设计问题和驱动负载时的设计要求。 计算器系统中也采用有静态c m o s 门电路，其设计一般遵循着这些规则。 但在很多内部模块里，主要是数字电路，并且有时钟节拍的同步，所以p 管与 n 管可以采用最小尺寸以节省芯片面积。这是需要注意的地方。 在设计静态c m o s 电路时，必须保证电路的n m o s 管和p m o s 管的“别称 设计”，就是每个输入信号必须同时接到一个n m o s 管和一个p m o s ，所以实现 一个n 输入门电路需要2 n 个晶体管。这在芯片面积有限的经济型计算器电路晕 是不能容忍的，所以计算器系统采用了大量的动态电路。 2 2 动态c m o s 电路设计 m o s 晶体管具有一定的栅电容，并且具有极高的输入电阻，利用这两点发 展了动态c m o s 电路。它利用m o s 晶体管的栅电容存储效应，在时钟脉冲的作 用下进行刷新，从而达到简化电路提高电路性能的目的。动态c m o s 电路的 6 嵌八式计算器单芯片的分析与设； 主要优点是它的n 管与p 管不用完全对称，形成富n m o s u 路或者富p m o si b 路，这样i u 以有效的减少管子数目，从而减小芯片面积，下面咀富n m o s 动态 电路为例，介绍动态电路设汁的基本理论和电路结构。 ( a ) 预充一求值电路( b ) 求值保持电路 的逻辑值。 图2 1 动态电路基本结构形式 求值一保持逻辑电路也就是钟控 c m o s 电路，它是将静态c m o s 电路与 动态电路棚结合的一种结构。在c k = 0 期涮，输出结点y 实现对信号的运算； 而在c k = r 期削，因为p l 管和n l 管同时关断，所以输出y 为高阻态。但是 如果这时y 接到下一级电路的栅极，那么利用栅电容存储效应，y 可以保持刚 才运算得到的值。所以也称这种电路为求值一保持电路。 2 2 2 动态电路电荷再分配问题 对于预充一求值电路，在求值阶段如果输入信号发生变换，】能会引起输出 结点的电荷与n m o s 逻辑块中各结点的电荷再分配问题( 也称电荷共享问题) ， 从而引起输出逻辑的异常变化。 参见图2 2 ，假设预充阶段，信号a 、b 均为低电平0 。预充完成后，y 处 被充到高电平，a 、b 间的结点x 没有被充电，为低电平，即v c o = v d d ，v 。= o 。 在求值阶段，设b 点始终保持为低，那么，y 点电平应该保持为高。但是如果 a 升为l 亩电平n m o s 管t 3 导通，电容c o 对电容c 1 充电，引起结点y 电压 的下降。如果寄生电容c o 的值与c l 的值差不多，或者再分配的结点增多，就 有可能使y 点输出低电平或者不定态，引起电路误操作。 解决这个问题的一般办法是，让动态电路的各个输入信号在预充阶段就准备 第二章动态c m o s 集成电路设计 好，在求值期间不产生变化，这是电路时序设计考虑的内容。另外一种办法就是 增加寄生电容c 0 的值，这要在物理版图设计上实现。求值保持电路也有这种 问题。 a b 卜 、lp r 。 v t t 气宁- 专 主6 - c 图2 2 动态电路电荷再分配图2 3 动态电路的级联 计算器的动态电路设计中，上面两种途径被同时利用。它设计了两相时钟来 保证在进行求值时各个信号报持不变，而在版图设计上，也在输出结点y 处增 加了一种特殊结构，增加了寄生电容c 0 的值，参见第三章的图3 1 7 。 2 2 3 动态电路级联问题 在实现实际功能时，把动态电路直接级联也有可能引起电路的误操作。参见 图2 3 ，第级的输出直接驱动第二级。预充时，两级的输出点y 1 、y 2 都被充 到v d d i 在求值阶段，y 1 、y 2 都有条件的放电。假如输入a 、b 、c 都为，1 ， 其实现的功能本来是输出y 1 放电为0 ，从而使y 2 输出保持高电平。但实际上 y 1 放电需要一定时间，有一定延迟。在放电过程中它的电压大于n m o s 管的阈 值电压以前，t 4 仍然导通，y 2 在向地放电，可能达到低电平0 。因为预充管截 止，不能像静态c m o s 那样给y 2 补充电荷，因此求值过程完成后y 1 得到正 确的输出，但y 2 结点的输出状态与期望的不符，产生了逻辑错误。 为了实现动态c m o s 门级联的问题，通常采用的办法有三个：第一是采用 n p 动态电路混合级联的办法，用富n m o s 动态逻辑门的输出驱动富p m o s 动 态逻辑门，再用富p m o s 动态逻辑门输出驱动富n m o s 逻辑门；第二是采用多 米诺逻辑，在每级动态门输出端串入一个反相器作为缓冲，再输入到下一级动态 逻辑门，参见图2 3 ；第三是采用多相时钟。 在计算器系统中，采用了后面两种办法来解决这个问题，参见下面关于计算 器里采用的动态电路形式的讨论。 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 2 3 计算器内的动态电路 计算器系统采用富n 动态c m o s 工艺。为了有效的解决动态电路电荷再分 配问题和级联问题，计算器采用了两相时钟。时钟c k 2 n 、c k 3 n 为其两个工作 时钟。计算器里采用了三种形式的动态电路结构，如图2 4 所示，把它们分别命 名为z 型、r 型和t 型动态电路，图中还给出了每种形式的电路表示符号。 v i ) dv i ) dv d d 莎 ( a ) z 型动态电路结构( b ) r 型动态电路结构( c ) t 型动态电路 图2 4 计算器里的三种动态电路形式及其电路符号 这三种动态电路的级联情况为：z 型动态电路可以级联驱动这三种动态电 路，而r 型、t 型动态电路只能级联到z 型门的输入。为了进一步消除电荷再 分配可能带来的负面影响，系统引入了一个辅助时钟c k i n ，它们的波形之间满 足图2 5 的关系。 c k l n 厂 厂i 广 厂 厂 c k 2 n 厂 厂_ 厂_ 厂_ 广一 c k a n 厂 厂| 广 厂 厂 图2 5 计算器的两相时钟和辅助时钟 2 4 小结 本章对动态电路设计中的基本问题做了介绍和分析，分析了兴华公司计算器 电路中采用的几种基本动态电路形式。为了有效解决动态电路设计中的电荷再分 配问题和电路的级联问题，界定了计算器的动态电路工作时钟时序。这是后面章 节分析和设计计算器系统的基础。 笙三童生茎墅堡堡：墨堕塑坌盟型堡盐三 第三章计算器硬件系统的分析和设计 单芯片计算器从本质上来讲是一个m c u 的应用系统。其工作原理就是m c u 通过键盘接口响应键盘的输入请求，由程序指针p c 对键盘输入信号的分析，形 成不同的r o m 地址值，从微程序存储r o m 译出相应的指令，对各个寄存器和 r a m 进行相应操作，并指挥p c 生成下一条指令在r o m 中的存放地址，如此反 复，最后完成特定功能。 3 1 计算器系统的功能模块划分 兴华公司的计算器产品c 9 8 2 1 ，广泛的用在经济领域。它采用1 5 v 电池或者 太阳能电池供电，驱动l c d 双排显示，除了能实现基本的加减乘除运算外，还 能进行汇率的自动转换运算。在常规计算器模式下，l c d 只用一排显示；在自动 汇率转换模式下，l c d 双排显示，用户可以选择是进行a 国到b 国的汇率转换 图3 1 单芯片计算器原理框图 0 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 还是b 国到a 国的汇率转换，这可以通过键进行切换，并且两排前面分别 用“”和“= ”来标注输入国和目标国。用户输入的数显示在输入国一排，计 算器在另一排显示目标国对应的货币值。 参照c 9 8 2 1 的产品c 兑明书，本论文将计算器系统分为以下几个功能模块：电 源模块、时钟模块、m c u 核、l c d 驱动模块以及键盘扫描模块等。各个模块之 问的硬件连接关系可以用图3 1 粗略表示。图中长短线虚框内就是整个计算器片 内系统，短线虚框内为m c u 核，它包括了a l u 、寄存器组、程序指针p c 等子 模块，它是计算器软硬件的核心。为了讨论方便，本论文将存储微程序的r o m 也划分到m c u 核模块。下面分别介绍计算器的各个功能模块的设计考虑和实现 方式。 3 2 电源模块 在保证电路正常工作的同时，出于对功耗的考虑，在关机状态( p o w e ro f r ) 芯片不再对内部各个模块供电，但特殊寄存器( s p e c i a lm e m o r y ) 和键盘扫描电 路例外。c 9 8 2 1 内部特殊寄存器保存的是b 国到a 国的缺省汇率值在关机状态 这个值应该保持。同时在计算器关机状态，是靠键盘上的“o n ”键或者“ ” 键唤醒，所以对这两个按键的响应电路也应浚处于工作状态。 c 9 8 2 1 采用1 5 伏干电池或者太阳能电池供电，但是在驱动l c d 输出时，需 要一个3 v 的电压来产生驱动扫描信号，因此，芯片中需要设计一个升压电路。 从上面的分析可以看到，计算器从外部得到一个供电电压后，产生了3 种电 源供内部电路分别使用。为了便于描述，用v g g 来表示外部电池直接提供的电 源，用v d d 表示内部模块的工作电源，它在关机状态被接地，用v c c 表示经过 升压后得到的电源，用g n d 表示公共地。在本论文后面的章节，除非特别说明， 提到电源均是指内部各模块的电源v d d 。 3 2 1 实现内部工作电源 特殊寄存器的问题比较好解决。将它由v g g 直 接供电就可以了。 对于其他内部模块电源v d d ，相当于在工作模式 下被接到v g g ，在关机模式下，被接到g n d 。这可 以利用反相器的特性来实现，只是其n 管和p 管的尺 寸要专门设计。实现电路如图3 2 所示，i o f f 是开关 机切换控制线，v d d 作为输出。因为从关机状态切换 幽3 2v d d 产生开关 l j ￥ 第三章计算器硬什系统的分析和设计 到工作状态时，需要快速地达到稳定状态，给v d d 充电到v g g 的时间要短，所 以这个反相器的p m o s 管设计得足够大，c 9 8 2 1 设计的宽长比为4 0 0 。 i o f f 的产生电路设计在后面的章节分析。 3 _ 2 _ 2 电荷泵升压电路 c 9 8 2 1 内嵌了l c d 驱动电路，用到了3 v 电压。利用电容的电特性，系统中 设计了一个电荷泵来实现倍压功能，其电路图如图2 3 所示。 图3 3 升压电路原理图 图中，c l k 是升压电路的工作时钟，v c c 是最后得到的倍压电源。p l 和p 2 为两个p m o s 管，其衬底( 1 3 ) 、源端( s ) 分别接v c c 和v a 。v b 与v a 问、v c c 与地( g n d ) 之间分别接连一个电容c l 、c 2 ，其典型容值为o 1 心，这两个电容 通常外接在芯片上，所以v a 、v b 是芯片的两个引腿。该电路升压原理如下： 当c l k = l 时，n e t 3 = l ，p l 管截止，因为c 2 的原因，v c c 能够维持先 前的电压：n e t l = l 使p 2 管导通，v a 切换到v d d ，为1 5 v ；n e t 4 = 1 ，v b 为 0 v ，即k v a b = 1 5 v ； 当c l k 跳变为0 时，n e t l = 一0 ，n e t 4 = 0 ，使v b 为1 5 v 。因为电容两端 的电压差不能突变，所以v a 突变到3 v 。又因为这时p 2 管截止，p 1 管导通，所 以v a 通过p 2 管给v c c 点充电，理想值可以到3 v 。下周期，重复上述过程。 这样只要c l k 满足一定的频率要求，就能让v c c 的电压值维持在3 v 左右。 对图3 3 进行仿真验证，设定c l k 的频率为2 5 k h ：，p 1 、p 2 的宽长分别设 计为5 2 0 州3 5 9 m 、4 5 0 i _ t m 3 5 9 m ，得到的仿真波形如图3 4 所示。 从仿真结果波形中可以看到，v c c 最后能够稳定地维持在2 7 v ，满足实际 需要。 计算器的电源模块还包括上电复位模块和自动断电模块两个部分，这两部分 放在后面的“开关机功能模块”节讨论。 #f 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 1 丑0 8 日q m 0 ，0 0 2 ，6 0 ) 1 9 台 1 2 暑 1 右罾 )b0fm 日口丑 2 0 0 2 目仔 1 ，斗0 v ：c i k r r 口n s i e n r e g p o n s e - ：川日 - ：m 1 丑m2 0 厂nj 毋m n n ec 日) 图3 4 升压电路仿真结果 3 3 时钟模块 一般来说，有两种方式给计算器芯片提供工作时钟。一种是通过芯片的引脚 从芯片外部加入。另外一种就是像本论文里的这样，采用一个内部的r c 振荡器 来产生原始的时钟信号然后经过分频、组合产生需要的各个时钟，提供给整个 系统。 3 _ 3 1r c 振荡器 可采用的r c 振荡器电路形式很多，本论文里的电路如图3 5 所示。 基本r c 振荡器的振荡频率与r 、c 的关系一般为： 2 。l。：一 - r c ( i n ( 坠! ! ) + l nc 堕! 二坠! ! ) ) v d d + v t h c2 v d d 一耽h c ( 3 1 ) 式中，k 。为电路闽值电压，如果取k 。为电源电压v 。的一半，那么即可得 到，的近似表达式 第三章计算器硬件系统的分析和设计 产赤一去 z ， 这正是一般r c 振荡器频率计算的经验公式，式中r = r c ，为时问常数。它 说明r c 振荡器的振荡频率与时间常数的倒数成正比。对图3 5 的电路进行仿真， 记录各结点的电压变化情况，得到图3 6 的结果。 图3 5c 9 8 2 l 内的r c 振荡器原理图 三墨亡= = = 口叩口田圆圆口口口口叩口 三蜮b l l l g m 已刊0 皿呲4000 皿皿0400 _ 三警1 , 1 5 1 1 匕一0 00 呲40 00 妯8 皿080 眦 三翟1 j 1 0e 二= = 皿 口衄田口口圃口团衄叩口亡 三裟1 , b e 匕= = 当衄d 凸0 口i d 亡匝! d d 必 三嚣匕习08 408 808100i888808 三誊e 二二二二二卫口口口口口口口口口口口口口口口口口亡 三耍1 , 0 ；孑型些业蹬业必1 n l u 盐监1 5 l i e u_1 i m，o 幽3 6r c 振荡器的仿真波形 图3 6 对应的电路参数为：r - = 5 0 k q ，c = 1 0 0 p f ，得到的时钟频率大约为 5 0 k h ：。这个频率值与式( 3 2 ) 差别很大，原因是图3 5 中的1 1 4 7 、1 1 4 8 两个与 非门的作用。但同文献1 9 1 中的值仍有稍许差别，其原因是管子的模型选取不同。 从上图可以看到，r c 振荡器并不是一加电就能工作，它有一个起振时问。 在仿真中，发现这个起报时间t 与f 值有着一定的关系。总体来看，t 是先随着f 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 的增大而降低，达到一个极低值后又随着f 增大而增大。参见表3 1 。 文献研究了在保持相同的时间常数f 条件下，振荡频率受r c 振荡器工作电 压的调制。本论文还发现，固定f 值，振荡频率受不同的r 、c 值影响。仿真结 果表明，固定r 值，振荡频率随月值增大而加快。表3 2 列出了在f 为1 2 t ts 时不 同的月、c 值组合对振荡频率和起振时间的影响。 表31 起振时间随f 的变化 起振时间t r ( k q ) c ( p f ) f ( i is )振荡周期t ( k ts ) ( m s ) 2 01 0 021 2 5 67 9 9 4 01 0 040 7 7 61 5 3 0 j 05 0 050 7 0 72 0 4 6 2 05 0 01 00 3 4 63 8 5 7 2 06 0 01 20 5 3 54 6 1 8 2 07 0 01 40 6 8 45 3 8 6 4 05 0 02 0】0 5 17 4 8 1 表3 2r c 振荡器起振时间、振荡频率与r 、c 值关系 振荡周期t ( u r ( k q ) c ( p f ) 起振时间t ( m s ) sj 52 4 0 05 3 4 90 6 5 4 1 01 2 0 04 8 4 30 5 7 4 2 06 0 04 6 2 0o 5 3 5 3 04 0 04 5 4 40 5 2 7 4 03 0 04 5 1 0o s 1 8 1 2 01 0 04 4 3 80 5 0 2 从上表还可以看到，固定时间常数f 时，起振时间也随着r 值的增大而减小。 至于其原因是什么，r c 振荡器的各个参数比如振荡频率、占空比等到底由哪些 因素决定，本论文没有作进一步的研究。 所以，在选择月、c 的值时，不仅要考虑频率要求，还应考虑起振时间，同 时要考虑它们在物理实现时占用芯片面积的问题。 3 3 2 时钟产生电路 从r c 振荡器得到的振荡信号c 要经过整形、分频、组合才能供给其他各个 模块。图3 7 所示的电路产生的三个信号为第二章动态电路的三个工作时钟 c k l n 、c k 2 n 和c k 3 n 。这里主要是考虑到计算器的时钟有快态和慢态之分，所 以加入了一种特殊的结构如图3 7 ( a ) 虚框所示，这将在下面一小节具体介绍。 一 第三章计算器硬件系统的分析和设计 ( a )时钟产生电路 ( b )快慢时钟切换电路 图3 7 时钟产生电路 3 ，3 3 快慢时钟切换电路 计算器提供选择快速时钟还是慢速时钟工作方式的功能。这是因为c m o s 电 路的功率损耗主要来源于动态功耗中的交流开关功耗，它不仅正比于电源电压的 平方，也正比于电路的工作频率口1 。计算器在执行各键盘服务程序，包括键盘扫 描程序期间，工作频率较高，一般在1 0 k h ：左右。而在键盘等待状态、液晶显示 状态，有效工作电路只是l c d 驱动器和寄存器组，如果内部其他执行电路仍然 采用高频率，必然造成无谓的功耗。所以，要求芯片能够根据状态的跳变自动的 在快、慢时钟之间进行切换。 图3 7 ( a ) 中的s e 就是快慢时钟切换的使能信号。带清零端的t 触发器( t f f ) 在s e 为l 时实现的是对c 信号的分频功能，而在s e 为o 时，q 端输出0 。所 以，如果s e = l ，电路将提供慢时钟，c l k 为c 的4 分频信号：如果s e = 0 电 路将提供快时钟，c l k 的频率就是c 的频率，即南，= 钒。，。使能信号s e 由图3 7 ( a ) 虚框中的电路产生，其部件z a 0 3 1 内部电路是一个z 型动态逻辑电路，它实现 的逻辑表达为式( 3 3 ) ，真值表为表3 3 。 a ”= ( ( 1 2 4 1 2 8 q ) f 1 2 5 ) ( 3 3 ) 表3 3 快慢时钟切换 1 2 51 2 4 1 2 8 s ea 时l q ( c k 3 n 下降沿) lc k 2 n x t 0 x 1 01 10 ( f c k ) j = 0 1 x 0 x 1i 01 ( s c k ) x ，lx xi 01 ( s c k ) 6 嵌入式计算器单芯片的分析与设计 图3 8 给出了对电路图3 7 仿真的结果。图中a d 与d 为计算器微程序存储 r o m 的地址和数据输出。从图3 8 可咀看到，c k l n 、c k 2 n 和c k 3 n 满足驱动 第二章的动态c m o s 电路时序要求。 图3 8 计算器时钟电路仿真结果 3 3 4 节拍发生器 c 9 8 2 1 能够进行b c d 码的四则运算，它在内部设计了相应数据位及其各字 节的读写、判断操作控制节拍信号，由如图3 9 ( a ) 所示的节拍发生器电路产生。 1i - ，广一生_ ， l7 11 一r | i i l l 4 二士芝鲁_ _ 呻- 一 l l 。r 1 r 1 7 一l - k i愉，争 j p t 卦i 睁舵寸 呻口 - -i- p 4 ：j 坤p 。_ l - - i p a r t b m曲j p 【4 i # e i 1 - 隋 p a r t + t 聃斗，。：k 砌 第三章计算器硬件系统的分析和设计 为b i t 控制时钟节拍，它的反馈回路以及后面的三位寄存器的结构如图3 9 ( b ) 所示；p a r tb 产生的q 0 、0 1 、q 2 、0 3 通过组合分别实现对b c d 码的各个数据 位进行操作，所以可以称为位操作控制时钟节拍，它的反馈回路如图3 9 ( c ) 所 示，通过这个反馈回路形成q o 后，顺次移入三个寄存器q l 、q 2 、0 3 中形成次 态码。 q = 3 q = 0 o r 0 = f 0 = b p h 4 图3 9 ( b ) b i t 控制节拍反馈电路图3 9 ( c ) 位操作控制节拍反馈电路 图3 9 计算器里的节拍发生器电路 从图3 9 可以看到b i t 控制时钟、位操作控制时钟节拍都是一种能够自启动 的环形计数器，分析得到其状态迁移分别如下： b i t 控制时钟节拍p h i ：4 的状态迁移： 位操作控制时钟节拍q 【0 ：3 的状态迁移： r 丽。而司面讣盯面 蛔臣亟亟亟圃 1 0 1 1 卜一0 1 0 1h 一1 0 1 0 卜一0 1 0 0 卜一1 0 0 1 3 3 5 其他控制信号 图3 9 ( a ) 中除p a r t a 和p a r t b 外的电路是在b i t 控制时钟和位操作控制时 钟控制下产生计算器工作所需的其他控制信号，比如r o m 译码使能、r o m 输出 寄存器读出使能等等。这些信号的一个共同特征就是其周期为一个指令周期，或 者换句话说，正是这些信号的正或负的脉冲，标志着计算器指令周期的开始或结 柬。 凹黑 卜 k丁 酞入式计算器单芯片的分析与设计 图3 1 0 给出了对图3 9 的电路进行仿真的结果波形。图3 1 0 ( a ) 为b i t 控制时 钟和位操作控制时钟的波形，( b ) 为几个典型的控制时钟信号。 ( a ) 节拍信号p h 1 ：4 】与q 【0 ：3 的波形 ( b ) 典型控制信号的波形 图31 0 节拍发生器的输山波形 3 4 计算器m c u 硬件结构分析和设计 从图3 1 可以看到，计算器内部主要是一个m c u 核，其系统框图和功能模 块已经在前面有了说明，下面对其内部功能模块再作些具体分析。 3 4 1a l u 的设计 a l u 是m c u 核的重要组成部分，它是m c u 中寄存器操作类指令的主要执 行部件。c 9 8 2 1 对运算速度的要求并不高，所以采用了一位的a l u ，通过串行方 式来进行运算，咀获得尽量低的硬件成本。加法是各种运算的基础a l u 的设计 第三章计算器硬件系统的分析和设计 任务就是基于加法器如何扩展以实现需要的功能。本节对a l u 运算功能的实现 部件加法器的设计问题做了讨论，主要分析它如何实现b c d 码的运算和如 何对b c d 码运算结果进行修正。 1 全加器的设计 a l u