设计新的微处理器或微控制器单元的步骤解析

技术与自然一样，也在不断发展。因此，逻辑上存在这种演变的起点是合乎逻辑的。关于我们的自然起源的争论就像超新星爆发之前的一刻一样激烈-更不用说即使在存在数百万年之后仍然没有达成共识的事实。

关于技术，我们也有争论，例如第一个微处理器的起源。电子领域的许多人都将英特尔的4位4004芯片视为世界上第一个微处理器。但是，这种说法有对手，因此，辩论的实质。除了争论之外，让我们更深入地研究微处理器芯片的起源，特征，功能和设计准则。

微处理器的起源

第一个微处理器的起源很复杂，因为它可以追溯到1940年代。在所有电子产品（包括从无线电到超级计算机在内的所有电子产品）的中心，存在着一种共性。我说的共同点是晶体管，即电子放大器和开关。所有电子产品都利用了这一功能，因此可以辩称其于1947年的发明标志着现代电子产品的开始。

不管微处理器芯片的确切时间和原产地如何，在设计，性能和功能方面，它的演变都没有争议。

微处理器芯片设计

将CPU的功能集成到多个或单个IC上并具有MOSFET结构的计算机处理器称为微处理器。微处理器是一种通用的，基于寄存器的，时钟驱动的数字IC，其利用二进制数据作为其输入。而且，它根据存储在其内存中的指令处理该数据，并提供二进制结果作为其输出。

就功能特性而言，微处理器既包含顺序数字逻辑又包含组合逻辑。它利用二进制数字系统，该系统通过同时使用数字和符号来表示。通常，微处理器是计算机系统的关键单元，它执行必要的算术和逻辑运算。这些操作通常将包括诸如减法，加法，数字之间的比较以及各个区域之间的数字均匀转移之类的功能。

CPU是整个微处理器功能设计的重要组成部分。如您所知，CPU包含算术和逻辑单元，控制单元，高速缓存（内存）和寄存器。在功能方面，CPU的每个组件或部分都有特定的任务。例如，逻辑单元将处理指令，并且关于操作标准，将其对指令的处理顺序基于系统的要求。

微处理器芯片设计续

如果要设计新的微处理器或微控制器单元，则必须遵循一些一般规则或步骤。遵守这些步骤将产生合理且合乎逻辑的处理流程。并且，就像电子领域的大多数事物一样，这些步骤可以进一步划分以确保设计准确性和设备的适当功能。这些步骤如下：

确定新处理器将具有或需要具备的功能。

提供数据路径的布局以管理所需的功能。

描述机器代码指令格式或指令集体系结构（ISA）。

建立必要的逻辑来控制数据路径。

让我们将这些步骤分解为更多细节。

确定微处理器功能

在设计微处理器之前，必须确定设计需求。这是未来设计步骤所基于的定义步骤。为了准确评估此需求，您必须首先回答以下问题：

芯片类型：通用芯片还是嵌入式芯片等？

设计参数：预算，处理器速度，构建资源，处理器功耗要求？

芯片功能：浮点，定点算术，整数还是三者的组合？

操作能力：矢量还是标量？

配置：设备齐全，还是需要与各种外部外围设备接口？

中断支持：可接受的中断延迟容忍度是多少？

中断响应抖动容限是多少？

芯片是否支持有限的指令集或各种各样的指令？

注意：增加指令量会增加设计难度，但易于使用和编程。相比之下，更少的指令产生相反的结果，通常会增加编程成本。

布置芯片的算术运算

乘法、除法、加法、减法、旋转和移位等。

它的逻辑运算，例如NOT，OR，AND，NOR，XOR等。

其他基本功能，包括有条件的（什么条件）和无条件的跳转，以及堆栈操作（例如，弹出，推入）

概述芯片功能可简化数据路径布局和框架。

设计数据路径

确定处理器将使用哪种算术逻辑单元（ALU）架构，例如

寄存器，堆栈，累加器或这三者的组合。

此处的决定将对最终设计产生最重大的影响。仅在做出这个至关重要的决定后才继续进行。之后，您可以创建您的存储元件并布置算术逻辑单元。

创建指令集架构

以下是创建指令集体系结构时的注意事项：

处理器是RISC（精简指令集计算机），CISC（复杂指令集计算机）还是VLIW（长指令字）吗？

定义机器字长。

您将如何处理即时价值？

哪些类型的指令将获得立即值？

处理器是否兼容高级语言？

建立控制数据路径的必要逻辑

在数据路径和ISA完好无损的情况下，我们现在可以集中精力为主控制单元构建必要的逻辑。通常，我们将这些单元实现为计算或有限状态机的数学模型。尝试将ISA逻辑映射到其控制单元。

设计地址路径

简单的虚拟物理地址路径可能满足您的要求。大多数微处理器具有非常简单的地址路径，其地址位来自PC，寄存器（程序员可见）或直接来自指令。但是，各种通用处理器拥有更复杂的地址路径。

验证设计

在电子领域，尤其是在PCBA领域，验证设计普遍是项目中最关键的方面。这也适用于微处理器设计。微处理器设计人员通常比其他所有步骤合在一起需要更多的时间来验证其设计。

微处理器标志着现代计算的开始。它们随后的发展是对PCBA，计算需求以及行业中几乎每个领域对技术进步的需求的直接结果。对更高速度，更高级别功能和更好性能的需求确保了微处理器芯片设计将继续发展。这主要是由于几乎所有电子设备中都广泛使用了处理器。
编辑：hfy