[发明专利]一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构

摘要

本发明属于微控制器与实时操作系统技术领域，涉及一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构，微处理器内包含寄存器组资源，寄存器组资源与映射寄存器组库之间通过寄存器互连总线连接，微处理器核与半硬件操作系统通过高速互联总线连接，映射寄存器组库、微处理器核和半硬件操作系统集成在一个芯片内构成内嵌完整硬件操作系统的微处理器，内嵌完整硬件操作系统的微处理器通过片内外设总线与片内功能模块控制器组连接构成内嵌微处理器核完整硬件操作系统的微控制器；应用该技术方案能够生产出高实时性、高灵活度、高适应性、高可靠性的微控制器，提高应用系统的集成度，满足不同应用领域的需求，进而提高系统的可靠性和稳定性。

主权项

1.一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构，其特征在于：主体结构包括内嵌完整硬件操作系统的微处理器、映射寄存器组库、微处理器核、半硬件操作系统和片内功能模块控制器组；微处理器内包含寄存器组资源，寄存器组资源与映射寄存器组库之间通过寄存器互连总线连接，微处理器核与半硬件操作系统通过高速互联总线连接，映射寄存器组库、微处理器核和半硬件操作系统集成在一个芯片内构成内嵌完整硬件操作系统的微处理器，内嵌完整硬件操作系统的微处理器通过片内外设总线与片内功能模块控制器组连接构成内嵌微处理器核完整硬件操作系统的微控制器；/n所述映射寄存器组库包含K个映射寄存器组，K值根据实际需要确定；寄存器组资源和映射寄存器组库中的每个映射寄存器通过多路选择器和寄存器互连总线相对应互连，实现在微处理器内部扩展多组寄存器组的方案，即在不改变现有微处理器的内部寄存器组资源RBank[SPR,PSWR,R0～Rn]的基础上，为微处理器内部的寄存器组资源外扩K组映射寄存器组，每组映射寄存器组包括1个堆栈指针寄存器、1个程序状态字寄存器和n+1个通用寄存器，记为RBankk[SPRk,PSWRk,Rk0～Rkn]或简记为RBankk，微处理器中添加设计一条RBank切换指令，控制多路选择器的切换操作，当第k个就绪任务需要切换为当前任务运行时，微处理器中运行一条RBank切换指令，实现寄存器组资源与映射寄存器组之间的互连与切换，其中RBank切换指令的指令格式为：<opcode>des,src；其中，opcode为操作码，des为目的操作数，即MUX切换命令寄存器的地址，使用直接寻址、寄存器间接寻址；src为源操作数，即任务识别码TskID，使用寄存器寻址、立即寻址；RBank切换指令将源操作数传送到任务切换命令寄存器，实现任务切换；/n所述映射寄存器组库与微处理器内部的寄存器组资源之间在任务切换时，微处理器使用任务识别码TskID选择就绪任务切换所使用的映射寄存器，微处理器核将任务识别码TskID写入任务切换命令寄存器，微处理器内部的寄存器组资源与映射寄存器的映射方法与关系为：使用多路选择器将现有微处理器的内部寄存器组资源RBank[SPR,PSWR,R0～Rn]连接到外扩的映射寄存器RBankk[SPRk,PSWRk,Rk0～Rkn]上，其中SPR连接到SPRk，PSWR连接到PSWRk，R0连接到Rk0，……，Rn连接到Rkn，k∈[1,K]；/n内嵌完整硬件操作系统的微处理器还包括由任务切换命令寄存器和多路选择器组成的总线切换控制模块；寄存器组资源、总线切换控制模块、映射寄存器组库组成硬件“任务切换器”；微处理器核和总线切换控制模块之间、总线切换控制模块和映射寄存器组库之间分别通过寄存器互连总线连接；/n所述的任务切换过程为：使用映射寄存器组库实现保存与恢复寄存器组资源，当半硬件操作系统生成最高优先级为HPrio的任务后，在进行任务切换时，首先使用任务切换命令寄存器的当前值，建立正在运行任务所使用的映射寄存器组与寄存器组资源的互连，并同步保存寄存器组资源的数据到正在运行任务所使用的映射寄存器中；然后采用如下两种方式之一实现任务现场恢复：第一种方式是通过任务切换中断信号向微处理器提出任务切换请求，半硬件操作系统通过高速互联总线将HPrio发送给微处理器，微处理器接收到HPrio后，执行任务切换指令将任务切换命令TskID传送给任务切换命令寄存器，控制多路选择器建立新就绪任务所对应的映射寄存器组与寄存器组资源的互连，并同步恢复就绪任务所对应的映射寄存器数据到寄存器组资源中；第二种方式是半硬件操作系统直接将HPrio+1发送给任务切换命令寄存器，建立新就绪任务所对应的映射寄存器组与寄存器组资源的互连，并同步恢复就绪任务所对应的映射寄存器数据到寄存器组资源中。/n