基于Verilog的RISC MCU中斷系統(tǒng)的設(shè)計與驗證

摘 要： 詳細(xì)論述了4位RISC MCU中斷系統(tǒng)的Verilog設(shè)計實現(xiàn)過程。該MCU采用PIC兩級流水線結(jié)構(gòu)，含4個中斷源，2級優(yōu)先級。最后通過整體的RISC MCU IP核對其中斷系統(tǒng)進行完整的程序測試，完成功能與時序的仿真與驗證。

關(guān)鍵詞： verilog；PIC；RISC MCU；仿真；中斷

微控制器（MCU）包括核心指令譯碼電路、寄存器/存儲器模塊和一組輸入/輸出（I/O）模塊。當(dāng)I/O模塊處于操作進行時，I/O模塊中斷機制使微處理器可以忙于執(zhí)行其他指令，取消MCU對端口的不必要等待時間，從而大大提高了MCU的執(zhí)行效率^[1]。

在微控制器或微處理器的設(shè)計中，控制信號的設(shè)計是最復(fù)雜的，而在控制信號的設(shè)計中，中斷系統(tǒng)的設(shè)計又是最困難的部分^[1]。本文以自主所開發(fā)的4位RISC MCU IP核為載體，采用自上而下的設(shè)計方法，給出了其中斷系統(tǒng)的Verilog硬件描述語言的具體實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)可以作為一個功能部件, 直接在微控制器中加以運用, 對各種復(fù)雜中斷系統(tǒng)的設(shè)計具有很好的借鑒意義。

1 中斷系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)所處的載體是由自身所研發(fā)的、采用數(shù)據(jù)總線和指令總線相互分離的哈佛雙總線和Microchip技術(shù)公司的微控制器PIC的兩級流水線機制^[2]。中斷系統(tǒng)的主要功能與MCS-51相同，有4個中斷請求源，2個中斷優(yōu)先級，可實現(xiàn)2級中斷服務(wù)程序嵌套。整個中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。具體的設(shè)計主要包含以下四個設(shè)計過程^[3]：

(1)微控制器如何識別發(fā)生了哪個中斷；

(2)出現(xiàn)多個中斷時, 微處理器優(yōu)先處理哪個中斷；

(3)微控制器如何處理中斷嵌套；

(4)微控制器如何處理中斷執(zhí)行周期。

其中，(1)是中斷源的問題，(4)是中斷響應(yīng)時間的考慮，(2)和(3)歸結(jié)起來就是中斷優(yōu)先級單元的設(shè)計。

1.1 中斷源

系統(tǒng)的4個中斷源分別是：外部中斷SE（由I/O提供）；片內(nèi)的定時/計數(shù)器T0的溢出中斷請求ST；片內(nèi)基準(zhǔn)定時器BT0的溢出中斷請求SB；液晶驅(qū)動模塊的中斷請求SL和中斷系統(tǒng)相關(guān)的特殊功能寄存器及有中斷允許控制寄存器IE，中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和中斷請求標(biāo)志寄存器IF。IF、IE、IP寄存器中的中斷源排位順序一致，它們都可通過字節(jié)的指令操作來進行讀寫，MCU復(fù)位時，全部為0。當(dāng)MCU同時收到幾個同一優(yōu)先級的中斷請求時，由同級內(nèi)的優(yōu)先查詢順序確定哪個中斷請求得到響應(yīng)。各中斷源得相應(yīng)中斷入口地址、默認(rèn)同級優(yōu)先級及IF/IE/IP寄存器的各位名稱如表1所示。

IE的相應(yīng)位置1，表明相應(yīng)的中斷源為允許，為0時，則是屏蔽；IF的相應(yīng)位置1，表明相應(yīng)的中斷源有請求，為0，則沒有中斷源請求；IP的相應(yīng)位為1，表明相應(yīng)的中斷源為高優(yōu)先級中斷，為0，則為低優(yōu)先級中斷。該部分的相關(guān)Verilog代碼如下（以基準(zhǔn)定時中斷為例）：

//基準(zhǔn)定時模塊中斷源信號(高電平脈沖)的系統(tǒng)時鐘同步；

always@(sysclk) begin

int_base1<=int_base；

int_base2<=int_base1；end

assign SB=!int_base1&int_base2；

//中斷請求標(biāo)志位：可由中斷源SB觸發(fā)，也可通過對IF

//的字節(jié)操作對其置位或清零，其余情況下則保持原狀態(tài)

//不變。

assign FB=(resetn==0)? 1′b0：

(SB==1)? 1′b1：

(IF_wr)?IF[2]：

LF；

//把中斷請求標(biāo)志位寫回中斷請求暫存寄存器IF_out，若有

//對IF進行寫操作（IF_wr=1），則把IF_out寫回。

assign IF_out={FB，F(xiàn)T，F(xiàn)E，F(xiàn)L}；

//中斷請求響應(yīng)條件位

assign FB_f=FB&IE[2]；

1.2 中斷優(yōu)先級設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)置有2個中斷優(yōu)先級，對于每一個中斷請求源可編程為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷。中斷系統(tǒng)中有2個不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)編碼器，一個指出MCU是否有高優(yōu)先級的中斷信號，另一個指出MCU是否有低優(yōu)先級的中斷信號?？筛鶕?jù)這兩個編碼器的值來判斷系統(tǒng)所處的中斷狀態(tài)。此部分為設(shè)計的重點。

如圖1所示，把高、低優(yōu)先級的中斷分別歸類到高優(yōu)先級編碼器（encoder2）和低優(yōu)先級編碼器（encoder1），無中斷時，兩編碼器值都為零。若有一個不為零或兩個都不為零，則會產(chǎn)生一中斷信號（int_out），且會根據(jù)兩優(yōu)先編碼器的值來確定中斷入口地址（int_pc）、中斷嵌套（int_nesting）、中斷嵌套返回（int_nest_back）等信號，并將它們送入PC與堆棧處理模塊。當(dāng)然PC與堆棧模塊也會產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號以處理多種中斷情況。相關(guān)的重點實現(xiàn)代碼如下：

//低優(yōu)先級編碼器的輸入端選擇

assign encoder1_in[0]=(int_pri[0]==0)?FL:1′b0；

　　assign encoder1_in[1]=(int_pri[1]==0)?FE:1′b0;

　　assign encoder1_in[2]=(int_pri[2]==0)?FT:1′b0;

　　assign encoder1_in[3]=(int_pri[3]==0)?FB:1′b0;

//高優(yōu)先級編碼器的輸入端選擇

　　assign encoder2_in[0]=(int_pri[0]==1)?FL:1′b0;

　　assign encoder2_in[1]=(int_pri[1]==1)?FE:1′b0;

　　assign encoder2_in[2]=(int_pri[2]==1)?FT:1′b0;

　　assign encoder2_in[3]=(int_pri[3]==1)?FB:1′b0;

//低優(yōu)先級編碼器的實現(xiàn)：無中斷時，值為0，進中斷時優(yōu)先

//編碼賦值。其中把值寄存一次，用以辨別中斷源變化時的

//編碼狀態(tài)，做為中斷嵌套等多種中斷情況的信號辨別條

//件；高優(yōu)先級編碼器的實現(xiàn)與低優(yōu)先級類同，結(jié)果為out2

//和out2_pre。

always@(encoder1_in or out1)

begin

out1_pre<=out1；

casex(encoder1_in)

4′b0000：out1=3′b000；

4′b0001：out1=3′b001；

4′b001x：out1=3′b010；

4′b01xx：out1=3′b011；

4′b1xxx：out1=3′b100；

default：out1=3′b000；

endcase

end

//根據(jù)高低編碼器出來的結(jié)果辨別優(yōu)先級，即該跳轉(zhuǎn)的中斷

//向量地址。先僅取用到的5位數(shù)，用時再與前面補零；其

//中也已包含了同級默認(rèn)優(yōu)先級的功能；

assign int_pc= (out2==3′b100) ? 4′b0011：

(out2==3′b011) ? 4′b0101：

(out2==3′b010) ? 4′b0111：

(out2==3′b001) ? 4′b1001：

(out1==3′b100) ? 4′b0011：

(out1==3′b011) ? 4′b0101：

(out1==3′b010) ? 4′b0111：

(out1==3′b001) ? 4′b1001：

4′b0000；

//中斷信號的產(chǎn)生，int_out_clear為PC和堆棧模塊的反饋信

//號；

assign int_out=(int_out_clear==1)? 1′b0：

((out2!=3′b000)||(out1!=3′b000))? 1′b1：1′b0；

//中斷嵌套信號的條件是通過兩編碼器輸出結(jié)果的變化推

//斷出來的，且已通過驗證證明是正確的。中斷嵌套返回的

//方法與此同，不細(xì)述。

assign

int_nest=(((out1!=3′b000)&(out2_pre==3′b000)&(out2!=

3′b000))==1′b1)?1′b1：1′b0；

//int_nest為一辨別信號，將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)脈沖信號；

always@(posedge sysclk) begin

int_nest1<=int_nest；

int_nest2<=int_nest1；

if(!int_nest2&int_nest)

int_nesting<=1；

else int_nesting<=0；end

1.3 中斷響應(yīng)

中斷延遲是MCU的一個重要參數(shù), 通常是指在最壞情況下響應(yīng)中斷的最長時間。因系統(tǒng)屬于RISC單周期指令，也就不存在CISC中存在的指令未執(zhí)行完而被打斷的情況。當(dāng)然MCU也是在現(xiàn)行一條指令執(zhí)行完畢即下一個指令周期的Q1才開始響應(yīng)中斷的，并不是在一條指令執(zhí)行期間響應(yīng)中斷，這樣MCU才能正確返回斷點繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。由此也可知道系統(tǒng)大部分時刻中斷響應(yīng)時間為1個指令周期；除非正在執(zhí)行的指令是現(xiàn)場保護（入棧）、現(xiàn)場恢復(fù)（出棧），則需要等這些指令執(zhí)行完之后，再去響應(yīng)新的中斷請求，這一點本系統(tǒng)是通過軟件程序來實現(xiàn)。軟件程序的具體編寫步驟與MCS-51相似，見參考文獻[4]。

1.4 PC與堆棧模塊

PC與堆棧模塊通過接收來自中斷優(yōu)先級模塊的信號處理多種中斷情況的發(fā)生，并產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號，且完成了現(xiàn)場保護（入棧）、現(xiàn)場恢復(fù)（出棧）、PC預(yù)取值等重要操作。除了跳轉(zhuǎn)地址須等指令周期的Q4外，其余的大部分操作皆于Q1時刻完成。

always@(posedge clk1 or posedge int_nesting or negedge resetn) begin

if(resetn==0)

……

//中斷嵌套信號需把int_out_clear清零，以辨別新中斷信號；

//當(dāng)有中斷信號后的下一個Q1，置int_out_clear為1；中斷

//返回指令RTI時置其為0；其余時刻保持不變。

else if(int_nesting) int_out_clear<=0；

else begin

pc_plus1<=pc_fetch+1；

pc<=pc_fetch；

casex({int_out，inst[15：12]})

5′b1xxxx：begin

int_out_clear<=1

//pc_int：中斷發(fā)生標(biāo)志；pc_pop：中斷返回標(biāo)志

pc_int<=1；

pc_pop<=0；

//中斷嵌套返回時刻并不執(zhí)行壓棧操作，而應(yīng)返回原壓棧值

if(int_nest_back==0)

……//壓棧

5′b01111：begin

pc_pop<=1；

pc_int<=0；

int_out_clear<=0；

……//進棧

default:begin

pc_pop<=0；

pc_int<=0；end

//預(yù)取值地址的辨別

assign pc_fetch=(resetn==0) ? 12′b0000_0000_0000：

(pc_pop==1) ? pc_fetch_pop：

(int_nest_back&pc_int) ? pc_fetch_pop：

(pc_int==1) ? {8′b00000000，int_pc}：

(sys_jmp==1) ? pc_jmp：

pc_plus1；

2 系統(tǒng)的測試與驗證

本中斷系統(tǒng)屬于自主設(shè)計的RISC MCU IP核的子模塊，其功能與時序仿真也是在整個IP核上進行的。經(jīng)過六個含中斷程序的下載驗證和不斷完善，整個中斷系統(tǒng)是完全正確且可行的。功能仿真時，采取了將測試向量(匯編代碼)通過虛擬ROM進行驗證的方式；時序仿真則是利用Altera公司的LPM ROM/RAM模塊完成。前者的平臺是modelsim 6.0se，后者是quartus6.0。現(xiàn)舉例詳細(xì)說明：設(shè)置IE為0111，IP為0110。步驟如下：

(1)運行主程序，等待中斷信號；

(2)先獲得液晶中斷源SL并執(zhí)行相應(yīng)的中斷源程序，但在其中斷程序未執(zhí)行完之前，又來外部中斷源SE，此時因中斷源有高低優(yōu)先級之別，應(yīng)有中斷嵌套狀況；

(3)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行外部中斷程序，但又在外部中斷程序未執(zhí)行完之前，獲得定時/計數(shù)器中斷源ST，此時因中斷源同是高優(yōu)先級中斷，故不予理睬，但定時/技術(shù)中斷器請求信號卻一直保持，直至外部中斷程序完畢后，系統(tǒng)緊接著響應(yīng)定時/技術(shù)器中斷；

(4)定時/技術(shù)器中斷程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)返回液晶中斷程序繼續(xù)執(zhí)行；

(5)待液晶中斷程序執(zhí)行完后，系統(tǒng)跳回主程序。

具體的仿真結(jié)果完全符合功能要求，時序圖如圖2所示。

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微控制器以其性能好、體積小、價格優(yōu)、功能齊全等突出優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于家用電器、計算和外設(shè)、通訊、工業(yè)控制、自動化生產(chǎn)、智能化設(shè)備以及儀器儀表等領(lǐng)域，在國內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景，其設(shè)計也日益受到人們的重視。中斷系統(tǒng)是微控制器設(shè)計的難點，本文介紹的中斷系統(tǒng)設(shè)計方法具有很好的借鑒意義。采用這種用Verilog實現(xiàn)的自頂向下的方法，使問題在RTL級就暴露出來，便于及時修改，大大減少了開發(fā)時間。包含上述中斷系統(tǒng)的4位RISC MCU IP核也已測試及驗證成功。

參考文獻

[1] 胡永華，高明倫，王銳.微處理器中中斷電路的高層設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機，2001，(4).

[2] 2004 Microchip Technology Inc.PICmicro中檔單片機系列參考手冊.http：//www.microchip.com，2004，9.

[3] 朱良辰，胡越黎，冉峰.高速MCU核中并行優(yōu)先級中斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微電子學(xué)，2004，34(4)：482.

[4] 張毅剛.單片機原理與應(yīng)用(第1版)[M].北京：高等教育出版社，2004，(1)：112.