[发明专利]指令集可以配置的微控制器

说明书

本发明一般涉及半导体微处理器，一类执行选择性功能的被称做微控制器的半导体微处理器，更具体地说涉及一种有选择性地执行指令的微控制器。

微处理器朝着复杂仪表和机器方向演化，使复杂、快速的实时控制成为可能。带有相关中断处理芯片、可编程定时器芯片、ROM和RAM芯片的16或32位大容量微处理器在许多控制功能的场合已经被在微控制器同一片芯片上嵌入了所有外围设备的单片I/O微控制器所取代。芯片的扩展模式运行方式增强了所有片上特征的通用性。

微控制器的应用范围非常广泛。在手持式设备比如袖珍寻呼机(BP机)中，微控制器响应接收的字符，首先解释它们，然后产生一音频或振动信号以提示使用者来了一条消息，并且在合适的显示器比如LCD上生成多个字母数字信息。微控制器能够从它内部的存储器中恢复出一定时期内的任一条或所有的消息。在其他仪表中的使用，作为测量仪和测试仪，可以在1ms甚至更短的时间内执行上千次测试。

其他的应用包括个人计算机中的键盘控制器，其中微控制器用于减轻以前由处理器处理的许多任务，包括连续执行多次诊断过程并在监测到问题时通知处理器。个人计算机中微控制器的应用包括：在调制解调器中用于命令解释和数据传输；在打印机缓冲器中用于在准备以合适的速度驱动打印机时高速转储数据；及用于彩色绘图仪、复印机、电动打字机/字处理器、有线电视终端设备、草地浇水控制器、信用卡电话设备、蜂窝电话、传真机、汽车应用比如发动机控制模块、防锁制动系统、汽车悬挂控制、免钥匙进入系统和许多其他的工业和生活应用中。

一般，除其他单元外，微控制器包括：CPU(中央处理单元)；程序存储器，CPU从中读取指令；数据存储器(在有些结构中也称做寄存器)，可以被CPU直接读写。CPU从程序存储器中读取指令并按照通过指令获取的地址或通过间接寄存器得到的地址寻址数据存储器。CPU同样可以与特定的外围单元一起完成控制功能，包括如定时器、信号端口和波特率发生器等设备。

最近，微控制器已经被嵌入了装备中，比如汽车或制咖啡机，并被用来控制装备中某些电-机械设备。嵌入式控制产品可以在所有市场阶段找到：消费者、商业广告、PC外围设备、远程通讯(包括个人远程通讯产品)、汽车和工业中。大多数嵌入式控制产品必须满足特殊的要求：经济、低功耗、体积小和高系统集成度。

大多数典型的嵌入式控制系统都是围绕着MCU设计的，在一块芯片上集成程序存储器、数据存储器(RAM)和多种外围芯片功能，比如定时器和串行通讯。另外，这些系统通常需要辅助的串行EEPROM、显示驱动器、键盘或小显示屏。各种微控制器的参数设置，如果有，通常由操作者控制显示屏和键盘完成。

在现有的技术中，微控制器包括程序存储器，用于存储可以被如微处理器执行的指令。通常，存储在程序存储器中可变长度编码的指令需要多次读语句才能获得完整的指令，特别是对于8位处理器来说。一旦获取了完整的指令代码，在被执行前必须先对它进行译码。因此，一条指令的执行需要三步基本的步骤：取指令、译码和执行。

指令首先被从程序存储器中取出并在微处理器内部被传送到控制单元内称做指令寄存器(IR)的特殊功能寄存器中。一旦到达IR，读取的指令被译码器译码。最后，执行译码后的指令。适当的信号序列由逻辑控制单元产生，从而完成正确的数据传输和操作。指令的执行过程示于图1。微处理器单元(MPU)芯片10位于左侧，包含程序(指令)14的存储芯片12(ROM或RAM)位于右侧。

第一步是读取指令：程序计数器(PC)16的内容输出到地址总线18并选定存储单元，图1所示的例子中存储单元为2304(在图1中标号被指定为15)。然后发读命令给存储器12。经过几纳秒(取决于存储器的读出时间或存取时间)后，被地址15选定的8位数据出现在存储器20的输出引脚(未示出)上并在系统的数据总线24上传播(在这种情况下，从右向左)。数据在MPU芯片10内部选通到控制单元30的指令寄存器(IR)26上，到此完成取指令周期。

接着取指令周期的两个周期为译码和执行。IR26由位于控制单元30内的译码器28进行译码，通常由可编程逻辑阵列(PLA)(未示出)完成。适当的信号由控制单元30产生，从而导致执行指令。

指令不一定必须是8位字长。实际上，指令长度经常为1、2、3或4字节也就是8、16、24或32位。当一条指令长度大于8位时，控制单元30必须返回到存储器20并将随后的一个字节或几个字节正确读入到IR26中。