微控制器(MCU)是許多數字系統的核心部件，其控制復雜，對魯棒性、面積、功耗、運算速度、功能等方面都有很高的要求，設計擁有自主知識產權的高性能MCU一直是集成電路設計領域一個富有挑戰性的課題。本文的研究正是對此做一次有益的嘗試和實踐。在深入細致地研究了Atmel公司的AT90S1200系列微控制器的指令系統和系統結構，深入理解了微控制器的工作作原理和設計方法的基礎上，確定微控制器的總體結構，以及各層次模塊的功能和結構。 討論了RISC和CISC各自的特點及的設計差別；討論了指令集的制定，指令流水線的概念及設計方法，以及由于引入流水線而引起的數據沖突和解決辦法；MCU整體架構的分析，用FPGA進行時序電路的設計方法等技術。 本文做的工作包括：采用硬件描述語言VHDL語言設計了微處理器數據通路，控制單元的設計，并對該微處理器進行了軟件功能測試和正確性驗證。 數據通路的設計包括：PC模塊、IR模塊、通用寄存器模塊、狀態寄存器模塊、ALU模塊、取指單元模塊、定時器/計數器模塊、I/O單元模塊及外部中斷模塊等電路模塊的設計與實現；同時還研究了控制單元的實現方法和有限狀態機設計的方法。 驗證部分是將MCU作為一個整體處理單元在處理混合指令和一定的應用功能時所表現出來的綜合性能做的軟件仿真測試。這種測試沒有對所有的指令進行全面的測試，但對三個I/O的測試采用不同的測試方法達到相同的效果，測試了用不同的指令來實現相同功能的MCU的指令的靈活性。因此這些指令組合成一起的程序段對MCU的測試是比較有效的測試指令及MCU綜合功能的測試方法。 最終的仿真驗證結果表明，所設計的MCU完全兼容AT90S1200的指令集。匯編源程序的編譯環境不需要另外開發而可直接使用AVR Studio進行編譯。仿真的結果表明MCU能按照預想的指令執行預定的動作，時序和流水線操作都正確，表明所設計的MCU基本符合要求。

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