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技術(shù)專(zhuān)題
單片機(jī)設(shè)計(jì)中微處理器芯片：設(shè)計(jì)指南，功能和特性
技術(shù)與自然一樣，也在不斷發(fā)展。因此，邏輯上存在這種演變的起點(diǎn)是合乎邏輯的。關(guān)于我們的自然起源的爭(zhēng)論就像超新星爆發(fā)之前的一刻一樣激烈-更不用說(shuō)即使在存在數(shù)百萬(wàn)年之后仍然沒(méi)有達(dá)成共識(shí)的事實(shí)。
關(guān)于技術(shù)，我們也有爭(zhēng)論，例如第一個(gè)微處理器的起源。電子領(lǐng)域的許多人都將英特爾的4位4004芯片視為世界上第一個(gè)微處理器。但是，這種說(shuō)法有對(duì)手，因此，辯論的實(shí)質(zhì)。除了爭(zhēng)論之外，讓我們更深入地研究微處理器芯片的起源，特征，功能和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
微處理器的起源
第一個(gè)微處理器的起源很復(fù)雜，因?yàn)樗梢宰匪莸?span lang="EN-US">1940年代。在所有電子產(chǎn)品（包括從無(wú)線(xiàn)電到超級(jí)計(jì)算機(jī)在內(nèi)的所有電子產(chǎn)品）的中心，存在著一種共性。我說(shuō)的共同點(diǎn)是晶體管，即電子放大器和開(kāi)關(guān)。所有電子產(chǎn)品都利用了這一功能，因此可以辯稱(chēng)其于1947年的發(fā)明標(biāo)志著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的開(kāi)始。
不管微處理器芯片的確切時(shí)間和原產(chǎn)地如何，在設(shè)計(jì)，性能和功能方面，它的演變都沒(méi)有爭(zhēng)議。
微處理器芯片設(shè)計(jì)
將CPU的功能集成到多個(gè)或單個(gè)IC上并具有MOSFET結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)處理器稱(chēng)為微處理器。微處理器是一種通用的，基于寄存器的，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的數(shù)字IC，其利用二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為其輸入。而且，它根據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的指令處理該數(shù)據(jù)，并提供二進(jìn)制結(jié)果作為其輸出。
就功能特性而言，微處理器既包含順序數(shù)字邏輯又包含組合邏輯。它利用二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)同時(shí)使用數(shù)字和符號(hào)來(lái)表示。通常，微處理器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，它執(zhí)行必要的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。這些操作通常將包括諸如減法，加法，數(shù)字之間的比較以及各個(gè)區(qū)域之間的數(shù)字均勻轉(zhuǎn)移之類(lèi)的功能。
CPU是整個(gè)微處理器功能設(shè)計(jì)的重要組成部分。如您所知，CPU包含算術(shù)和邏輯單元，控制單元，高速緩存（內(nèi)存）和寄存器。在功能方面，CPU的每個(gè)組件或部分都有特定的任務(wù)。例如，邏輯單元將處理指令，并且關(guān)于操作標(biāo)準(zhǔn)，將其對(duì)指令的處理順序基于系統(tǒng)的要求。
微處理器芯片設(shè)計(jì)續(xù)
如果要設(shè)計(jì)新的微處理器或微控制器單元，則必須遵循一些一般規(guī)則或步驟。遵守這些步驟將產(chǎn)生合理且合乎邏輯的處理流程。并且，就像電子領(lǐng)域的大多數(shù)事物一樣，這些步驟可以進(jìn)一步劃分以確保設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和設(shè)備的適當(dāng)功能。這些步驟如下：
確定新處理器將具有或需要具備的功能。
提供數(shù)據(jù)路徑的布局以管理所需的功能。
描述機(jī)器代碼指令格式或指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）。
建立必要的邏輯來(lái)控制數(shù)據(jù)路徑。
讓我們將這些步驟分解為更多細(xì)節(jié)。
確定微處理器功能
在設(shè)計(jì)微處理器之前，必須確定設(shè)計(jì)需求。這是未來(lái)設(shè)計(jì)步驟所基于的定義步驟。為了準(zhǔn)確評(píng)估此需求，您必須首先回答以下問(wèn)題：
芯片類(lèi)型：通用芯片還是嵌入式芯片等？
設(shè)計(jì)參數(shù)：預(yù)算，處理器速度，構(gòu)建資源，處理器功耗要求？
芯片功能：浮點(diǎn)，定點(diǎn)算術(shù)，整數(shù)還是三者的組合？
操作能力：矢量還是標(biāo)量？
配置：設(shè)備齊全，還是需要與各種外部外圍設(shè)備接口？
中斷支持：可接受的中斷延遲容忍度是多少？
中斷響應(yīng)抖動(dòng)容限是多少？
芯片是否支持有限的指令集或各種各樣的指令？
注意：增加指令量會(huì)增加設(shè)計(jì)難度，但易于使用和編程。相比之下，更少的指令產(chǎn)生相反的結(jié)果，通常會(huì)增加編程成本。
布置芯片的算術(shù)運(yùn)算
乘法、除法、加法、減法、旋轉(zhuǎn)和移位等。
它的邏輯運(yùn)算，例如NOT，OR，AND，NOR，XOR等。
其他基本功能，包括有條件的（什么條件）和無(wú)條件的跳轉(zhuǎn)，以及堆棧操作（例如，彈出，推入）
概述芯片功能可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)路徑布局和框架。
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)路徑
確定處理器將使用哪種算術(shù)邏輯單元（ALU）架構(gòu)，例如
寄存器，堆棧，累加器或這三者的組合。
此處的決定將對(duì)最終設(shè)計(jì)產(chǎn)生最重大的影響。僅在做出這個(gè)至關(guān)重要的決定后才繼續(xù)進(jìn)行。之后，您可以創(chuàng)建您的存儲(chǔ)元件并布置算術(shù)邏輯單元。
創(chuàng)建指令集架構(gòu)
以下是創(chuàng)建指令集體系結(jié)構(gòu)時(shí)的注意事項(xiàng)：
處理器是RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)），CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）還是VLIW（長(zhǎng)指令字）嗎？
定義機(jī)器字長(zhǎng)。
您將如何處理即時(shí)價(jià)值？
哪些類(lèi)型的指令將獲得立即值？
處理器是否兼容高級(jí)語(yǔ)言？
建立控制數(shù)據(jù)路徑的必要邏輯
在數(shù)據(jù)路徑和ISA完好無(wú)損的情況下，我們現(xiàn)在可以集中精力為主控制單元構(gòu)建必要的邏輯。通常，我們將這些單元實(shí)現(xiàn)為計(jì)算或有限狀態(tài)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。嘗試將ISA邏輯映射到其控制單元。
設(shè)計(jì)地址路徑
簡(jiǎn)單的虛擬物理地址路徑可能滿(mǎn)足您的要求。大多數(shù)微處理器具有非常簡(jiǎn)單的地址路徑，其地址位來(lái)自PC，寄存器（程序員可見(jiàn)）或直接來(lái)自指令。但是，各種通用處理器擁有更復(fù)雜的地址路徑。
驗(yàn)證設(shè)計(jì)
在電子領(lǐng)域，尤其是在PCBA領(lǐng)域，驗(yàn)證設(shè)計(jì)普遍是項(xiàng)目中最關(guān)鍵的方面。這也適用于微處理器設(shè)計(jì)。微處理器設(shè)計(jì)人員通常比其他所有步驟合在一起需要更多的時(shí)間來(lái)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)。
微處理器標(biāo)志著現(xiàn)代計(jì)算的開(kāi)始。它們隨后的發(fā)展是對(duì)PCBA，計(jì)算需求以及行業(yè)中幾乎每個(gè)領(lǐng)域?qū)夹g(shù)進(jìn)步的需求的直接結(jié)果。對(duì)更高速度，更高級(jí)別功能和更好性能的需求確保了微處理器芯片設(shè)計(jì)將繼續(xù)發(fā)展。這主要是由于幾乎所有電子設(shè)備中都廣泛使用了處理器。