8位RISC MCU IP软核仿真的新方法

文章摘要：随着集成电路产业的发展，SoC系统已经成为IC产业的主流。微控制器（MCU）是SoC系统的核心模块，由于8位微控制器具有指令简单灵活、规模小、速度快的特点，因此广泛应用于SoC系统中。本文所要验证的8位RISC MCU IP核是与Microchip公司的8位MCU指令集完全兼容的IP核，采用哈佛总线结构，地址总线和数据总线分开，程序和数据分别存储在程序存储器和数据存储器中；采用两级流水线设计，共有33条指令，指令宽度为12位，PC宽度为11位，可寻址2KB[1]。除了部分条件测试指令和跳转指令为双周期外，其他所有指令都可以在一个指令周期完成。1 MCU的结构分析该MCU核没有内部程序存储器，顶

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随着集成电路产业的发展，SoC系统已经成为IC产业的主流。微控制器（MCU）是SoC系统的核心模块，由于8位微控制器具有指令简单灵活、规模小、速度快的特点，因此广泛应用于SoC系统中。

　　本文所要验证的8位RISC MCU IP核是与Microchip公司的8位MCU指令集完全兼容的IP核，采用哈佛总线结构，地址总线和数据总线分开，程序和数据分别存储在程序存储器和数据存储器中；采用两级流水线设计，共有33条指令，指令宽度为12位，PC宽度为11位，可寻址2KB[1]。除了部分条件测试指令和跳转指令为双周期外，其他所有指令都可以在一个指令周期完成。

　　1 MCU的结构分析

　　该MCU核没有内部程序存储器，顶层划分为控制部分和数据通路两部分，细化后的结构如图1所示。

图1 MCU结构细化图

　　(1)控制部分由节拍发生器模块、看门狗模块和复位逻辑模块组成。
 
　　(2)数据通路由程序计数器（PC）、堆栈、指令寄存器(IR)、指令译码器、专用寄存器、通用寄存器、数据选择器、ALU、IO端口模块等组成。

　　设计的具体实现不是本文的重点，因此不对整体设计实现作出详细介绍。鉴于流水线和跳转指令的实现是RISC MCU设计和仿真中的重点和难点，下文详细介绍流水线和跳转指令的实现原理。如图2所示，一条指令的执行由Q1、Q2、Q3、Q4这4个时钟节拍来完成，在当前指令执行周期中，PC值在Q1节拍有效时加1，Q4节拍把下一条指令取出到指令寄存器，准备让MCU在下一个指令周期执行，从而实现了流水线的操作。

图2 两级流水线的实现

　　若当前执行的指令为跳转指令，如子程序调用指令CALL（假设CALL指令地址为PC1）执行时，CALL指令的下一条指令ROM[PC1+1]需要在程序返回时才能执行，但此时PC指针已经指向下一条指令，为了避免流水线遭到破坏，Q4取指时要用空操作指令（NOP）屏蔽掉下一条指令[2]，PC值在下一个指令周期的Q1有效时更改为子程序的地址用于调用子程序，同时将当前PC（PC1+1）值压入堆栈。子程序返回指令RETLW执行时与CALL的执行类似，不同之处是PC值在下一个指令周期的Q1有效时置为堆栈所存地址（PC1+1）跳回主程序。由上可知跳转指令的执行由当前指令加一条NOP指令来完成，需要两个指令周期来实现。

　　2 仿真

　　IC设计流程中，仿真主要包括功能验证和后仿真两个部分。功能验证又称为前仿真，用来验证RTL级设计的功能是否正确；在后仿真中，布局布线的时延反标到设计中去，使仿真既包含器件延时，又包含布局布线后线延时信息，这种仿真能较好地反映芯片的实际工作情况[3]。以下的验证方法同时适用于功能验证和后仿真。

　　进行仿真前，首先需要建立系统的仿真平台，仿真平台采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)组成的体系。TESTBENCH对DUT施加激励并检查验证结果的正确性，DUT是待测设计。由于本文设计的MCU核内部没有程序存储器，因此在建立仿真平台时，需要在IP核外挂一个虚拟程序存储器模块，本文中DUT由将要进行验证的MCU IP核的RTL模型或时序模型和虚拟程序存储器模块组成，如图3所示。仿真时程序存储器根据设计模型输出的地址信号给出相应指令，该程序存储器采用黑盒子的方式进行设计，用RTL对其外部接口建模，编译时通过程序初始化文件rom.dat对其进行初始化。

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