[發明專利]采用RISC結構的單片機

無效

• 申請號: 200710093927.4
• 申請日: 2007-07-05
• 公開（公告）號: CN101339498A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 金乃詠;韓菲;倪滔雍;沈鋮潔
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司
• 代理人: 丁紀鐵

技術領域

本發明涉及一種單片微型計算機，特別是涉及一種采用RISC (Reduced?Instruction?Set?Computer精簡指令集計算機)結構的單片 機，該單片機支持MCS-51系列單片機指令。

背景技術

單片微型計算機簡稱單片機，是微型計算機的一個重要分支，也是一 種非常活躍且頗具生命力的機種。單片機特別適用于控制領域，故又稱為 微控制器。

MCS-51系列單片機是Intel公司推出的8位單片機，在嵌入式系統 與裝備制造行業有廣泛的應用。隨著電子行業的高速發展，各個行業對單 片機的運行速度要求越來越高，傳統的MCS-51單片機已逐漸不能滿足用 戶的需求。

Intel-MCS51系列單片機的指令處理涉及如下時間概念，時鐘周期、 機器周期、指令周期。

時鐘周期T又稱為振蕩周期，通常由內部振蕩方式和外部振蕩方式兩 種電路形式得到。例如，某單片機使用的時鐘頻率為1MHz，則它的時鐘 周期應為1us。

機器周期定義為實現特定功能所需要的時間，通常由若干時鐘周期構 成。MCS-51系列單片機的機器周期是固定的，均由12個時鐘周期T組 成，分為6個狀態(S1～S6)，每個狀態又分為P1和P2兩拍。因此，一 個機器周期中的12個時鐘周期可以表示為S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…， S6P2。

指令周期是時序中最大的時間單位，定義為執行一條指令所需要的時 間。由于機器執行不同指令所需要的時間不同，因此不同指令所包含的機 器周期數也不相同。通常，包含一個機器周期的指令稱為單周期指令，包 含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令，包含四個機器周期的指令稱為四 周期指令。

Intel-MCS51系列單片機采用的是CISC(Complex?Instruction?Set Computer復雜指令集計算機)，其指令的字節數不固定，分為單字節指令、 雙字節指令和三字節指令。執行任何一條指令時都可以分為取指令階段和 執行指令階段。在取指令階段可以把程序計數器PC中的地址送到程序儲 存器，并從中取出需要執行指令的操作碼和操作數。指令執行階段可以對 指令操作碼進行譯碼，以產生一系列控制信號完成指令的執行。圖1給出 了MCS-51系列單片機的取指令階段/執行指令階段時序。由圖1可見，ALE (鎖存允許)引腳上出現的信號是周期性的，每個機器周期內出現兩次高 電平，出現時刻為S1P2和S4P2，持續時間為一個狀態S。ALE信號每出 現一次，CPU就進行一次取指令操作，但由于不同指令的字節數和機器周 期數不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差異。

單字節單指令周期指令的執行時序：這類指令的指令碼只有一個字 節，存放在程序存儲器ROM中，單片機從取出指令碼到完成指令的執行僅 需要一個機器周期。圖1中，單片機在ALE第一次有效(S1P1)時從ROM 中讀出指令碼，把它送到指令寄存器，接著開始執行指令階段。在執行期 間，CPU一方面在ALE第二次有效(S4P2)時封鎖程序計數器PC加“1”， 使第二次讀操作無效；另一方面在時鐘周期S6P2時完成指令的執行。這 樣完成一句單字節單指令周期指令所需要的時間為單片機時鐘周期的12 倍。

雙字節單指令周期指令的執行時序：MCS-51系列單片機在執行這類 指令時需要分兩次從ROM中讀出指令碼。圖1中，機器在ALE第一次有效 (S1P1)時從ROM中讀出指令碼，CPU進行譯碼后便知道是雙字節指令， 故使程序計數器PC加“1”，并在ALE第二次有效時讀出指令的第二字節 (程序計數器PC加“1”)，最后在時鐘周期S6P2時完成指令的執行。這 樣完成一句雙字節單周期指令所需要的時間為單片機時鐘周期的12倍。

單字節雙指令周期指令的執行時序：MCS-51系列單片機在執行這類 指令時(參見圖1)，CPU在機器周期的第一狀態S1期間從程序存儲器ROM 中讀出指令操作碼，進行譯碼后便知道是單字節雙周期指令，故控制器自 動封鎖后面的連續三次讀操作，并在第二機器周期的時鐘周期S6P2時完 成指令的執行。這樣完成一句單字節雙周期指令所需要的時間為單片機時 鐘周期的24倍。