MAXQ架構(gòu)簡介

MAXQ RISC架構(gòu)將高性能和低功耗與各種復雜的模擬功能相結(jié)合。

MAXQ?架構(gòu)簡介

如今，微控制器系統(tǒng)設(shè)計人員在為項目選擇微控制器時有無數(shù)種選擇——8位、16位、RISC、CISC或介于兩者之間。通常，在選擇過程中會考慮許多標準。這些可能包括價格、性能、功耗、代碼密度、開發(fā)時間，甚至是未來的遷移路徑替代方案。使選擇過程復雜化，對一個標準的嚴格要求通常會影響其他領(lǐng)域的選擇。一個應(yīng)用中的關(guān)鍵因素在另一個應(yīng)用中可能并不重要。因此，沒有一種微控制器適用于所有項目。但要取得成功，現(xiàn)代微控制器必須在所考慮的許多領(lǐng)域表現(xiàn)出色。

當世界知名的模擬芯片制造商Maxim Integrated與業(yè)界領(lǐng)先的高性能微控制器供應(yīng)商Dallas Semiconductor聯(lián)手時，創(chuàng)造了將卓越的模擬功能與領(lǐng)先的微控制器集成的機會。這種合作關(guān)系的一個成果是MAXQ RISC架構(gòu)，這是一種新的微控制器內(nèi)核，結(jié)合了高性能和低功耗以及各種復雜的模擬功能。

將復雜的模擬電路與高性能數(shù)字模塊集成時，工作環(huán)境應(yīng)盡可能保持安靜和無噪聲。然而，微控制器內(nèi)核數(shù)字電路中發(fā)生的時鐘和開關(guān)會將噪聲注入敏感的模擬部分。這就是混合信號設(shè)計人員面臨的困難：實現(xiàn)高微控制器性能，同時將可能影響敏感模擬電路的時鐘噪聲降至最低。

MAXQ架構(gòu)通過智能時鐘管理和利用來降低噪聲。這意味著MAXQ內(nèi)核只支持那些需要隨時時鐘的電路，從而降低了功耗，為模擬集成提供了最佳的安靜環(huán)境。此外，MAXQ架構(gòu)在每個時鐘上執(zhí)行許多功能，以最大限度地提高其性能。本文概述了MAXQ架構(gòu)，并重點介紹了其競爭優(yōu)勢。

不浪費周期時鐘

MAXQ架構(gòu)旨在實現(xiàn)高性能功率比。生成高效機器的第一個必要條件是最大限度地利用時鐘周期來執(zhí)行用戶代碼。

MAXQ實現(xiàn)高利用率的最基本途徑是單周期指令執(zhí)行。單周期指令執(zhí)行通過增加指令帶寬從而提高性能和/或通過降低時鐘頻率的能力降低功耗，使最終用戶受益。所有MAXQ指令在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，但跳遠/長調(diào)用和某些擴展寄存器訪問除外。雖然許多RISC微控制器聲稱支持單周期執(zhí)行，但這通常適用于一小部分指令或?qū)ぶ纺Ｊ?。使用MAXQ，單周期執(zhí)行是常態(tài)。

其次，MAXQ架構(gòu)提高了時鐘周期利用率，因為它不需要指令流水線（許多RISC微控制器通用）來實現(xiàn)單周期工作。MAXQ指令解碼和執(zhí)行硬件非常簡單（時序也非?？欤@些操作與程序獲取本身進入相同的時鐘周期，對最大工作頻率的影響最小。為了說明消除指令流水線的好處，請考慮從流水線執(zhí)行的通用RISC CPU。當程序分支發(fā)生時，CPU 使用一個或多個時鐘周期（取決于管道深度）將程序提取轉(zhuǎn)移到目標分支地址，并丟棄已獲取的指令。顯然，使用時鐘周期丟棄指令而不是執(zhí)行指令是浪費和不可取的，因為它會降低性能并增加功耗。雖然該操作對用戶來說是不希望的，但 CPU 為重新加載管道而竊取的時鐘是體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，并且是不可避免的。MAXQ架構(gòu)區(qū)別于其他8位和16位RISC微控制器，提供單周期執(zhí)行，無需指令流水線（以及隨之而來的浪費時鐘周期）。

MAXQ指令字

MAXQ指令字是獨一無二的，因為只有一條經(jīng)典意義上的指令，即“MOVE”指令?！癕OVE”指令的源操作數(shù)和目標操作數(shù)是創(chuàng)建指令和內(nèi)存訪問以及觸發(fā)硬件操作的基礎(chǔ)。剖析16位MAXQ指令字只能顯示兩個元件：7位目標字段和8位源字段以及源格式位。源格式位在編碼為 0 時允許將任何即時或文本字節(jié)值（即 #00h-#FFh）作為源操作數(shù)提供。在寄存器初始化例程和執(zhí)行ALU操作期間，對單個指令字內(nèi)任何直接字節(jié)源的無限制支持可能非常有價值。非文字源和目標可能性細分為較小的組或模塊。圖1所示為16位MAXQ指令字。

圖1.MAXQ指令字很簡單，但功能非常強大。

所有機器指令都簡化為傳輸操作的源操作數(shù)和目標操作數(shù)。這些操作數(shù)可用于選擇物理MAXQ器件寄存器。這種類型的轉(zhuǎn)移是最基本且很容易想象的。然而，在MAXQ機器中，源操作數(shù)和目的操作數(shù)與物理寄存器并不嚴格關(guān)聯(lián)。

MAXQ架構(gòu)在執(zhí)行間接存儲器訪問時使用相同的源到目標傳輸結(jié)構(gòu)。某些目標和/或源編碼被標識為物理存儲器（如堆棧、累加器陣列和數(shù)據(jù)存儲器）的間接訪問門戶。這些間接內(nèi)存訪問入口使用物理指針寄存器來定義用于訪問的相應(yīng)內(nèi)存地址位置。例如，間接訪問數(shù)據(jù)存儲器的一種方法是使用“@DP[0]”操作數(shù)。當分別用作源或目標時，此操作數(shù)觸發(fā)對數(shù)據(jù)指針 0 （DP[0]） 寄存器尋址的數(shù)據(jù)存儲器位置的間接讀取或?qū)懭朐L問。

MAXQ架構(gòu)還使用特殊的目的和/或源編碼來觸發(fā)底層硬件操作。這種觸發(fā)機制是創(chuàng)建隱式鏈接到某些資源的MAXQ指令的基礎(chǔ)。例如，數(shù)學運算（ADD、SUB、ADDC 和 SUBB）作為特殊的目標編碼實現(xiàn)，這些編碼隱式針對其中一個工作累加器，僅由用戶提供源操作數(shù)。條件跳轉(zhuǎn)隱式以指令指針 （IP） 為目標進行修改，并作為可評估的每個狀態(tài)條件的單獨目標編碼實現(xiàn)。

間接內(nèi)存訪問和底層硬件操作觸發(fā)器盡可能組合在一起，以創(chuàng)建新的源/目標操作數(shù)，這提供了雙重優(yōu)勢。數(shù)據(jù)指針的自動遞增/遞減間接訪問助記符演示了這種組合。當使用 DP[0] 從數(shù)據(jù)存儲器讀取時，用戶可以分別使用“@DP[0]++”或“@DP[0]--”源操作數(shù)在讀取操作之后選擇遞增或遞減指針。

MAXQ指令字具有許多優(yōu)點。指令字包含模塊化分組的源和目標操作數(shù)，允許簡單快速的指令解碼硬件，并限制那些不參與傳輸?shù)哪K的信號切換，從而降低動態(tài)功耗和噪聲。指令字使用其完整的 16 位來指定源和目標操作數(shù)，從而為物理寄存器、間接內(nèi)存訪問和硬件觸發(fā)的操作產(chǎn)生豐富的地址空間。最終，將豐富的源/目標地址空間與對源目標組合的最小限制耦合，從而產(chǎn)生高度正交的計算機。

MAXQ系統(tǒng)亮點

MAXQ系統(tǒng)不僅提供了當今微控制器用戶所期望的基本硬件資源和能力，而且還增強了這些資源并增加了新的功能，以擴展器件的功能和實用性。雖然記錄所有MAXQ系統(tǒng)資源是不可行的，但這里將討論一些資源。

工作蓄能器

到目前為止，MAXQ架構(gòu)已作為一個整體進行處理。然而，MAXQ10和MAXQ20這兩個略有不同的版本將在最初的MAXQ產(chǎn)品系列中實現(xiàn)。MAXQ10和MAXQ20選項的主要區(qū)別在于工作累加器的標準寬度和支持算術(shù)單元（ALU）。MAXQ10支持8位（字節(jié)寬）累加器和ALU操作，MAXQ20支持16位（字寬）累加器和ALU操作。MAXQ器件至少配備16個蓄能器，根據(jù)應(yīng)用的不同，可有多達16個蓄能器。在源/目標傳輸映射中，這些累加器位于系統(tǒng)寄存器模塊中，每個累加器都可以作為 A[n] 直接訪問，其中 n 對應(yīng)于它們各自的索引。因此，配備0個累加器的MAXQ器件將包含累加器A[1]，A[14]...A[15]和A[16]。任何一個累加器都可以被指定為活動累加器，并通過 Acc 助記符間接訪問，方法是將累加器指針寄存器 AP 設(shè)置為其特定索引（即 Acc = A[AP]）。AP寄存器僅實現(xiàn)向累加器陣列提供二進制解碼所需的位數(shù)，因此在具有<>個累加器的MAXQ器件中需要<>位。所有 ALU 操作都隱式指定活動累加器作為正在執(zhí)行的操作的目標。以“ADDC src”指令為例。此指令始終在活動累加器、進位標志和指定的源 （src） 操作數(shù)之間執(zhí)行加法操作。豐富的位操作和移位/旋轉(zhuǎn)指令圍繞著有源累加器。

附加硬件附加到累加器指針，以加快對累加器文件的有序和可預測訪問。累加器-指針控制 （APC） 寄存器提供用于復位 AP 以及簡化累加器指針寄存器上的遞增、遞減和模運算的位。

處理器狀態(tài)標志 （PSF） 寄存器包含五個狀態(tài)標志，這些標志與活動累加器狀態(tài)和 ALU 操作具有特殊含義。這些是 （C）arry、（Z）ero、（S）ign、（E）qual 和 （OV）erflow status 標志。可以評估其中一些標志以執(zhí)行條件跳轉(zhuǎn)和返回。PSF 寄存器還提供兩個額外的通用標志（GF1 和 GF0），以滿足用戶軟件需求。

專用硬件堆棧

MAXQ架構(gòu)包含一個專用的硬件堆棧。任何MAXQ器件的堆棧深度都取決于產(chǎn)品。專用硬件堆棧具有兩個明顯的優(yōu)勢。首先，它允許保留數(shù)據(jù)存儲器以供其他應(yīng)用程序使用，而不是被堆棧消耗，其次，它支持快速PUSH/POP操作，因為存在專用的讀/寫端口，不需要與數(shù)據(jù)存儲器共享。如果硬件堆棧深度不足以滿足所需的上下文存儲，則數(shù)據(jù)指針的類似堆棧的操作（寫入的前遞增/遞減，讀取的后遞增/遞減）非常適合在數(shù)據(jù)存儲器中創(chuàng)建軟件堆棧。

靈活的中斷架構(gòu)

MAXQ10和MAXQ20支持單個用戶可配置的中斷矢量地址寄存器。該方案允許根據(jù)用戶偏好放置中斷標識和服務(wù)例程。任何中斷源都沒有自然優(yōu)先級。除了正常的單個和全局中斷使能和標志外，在模塊級別還提供屏蔽和識別標志。單個源啟用、模塊到全局級別的屏蔽和中斷源的優(yōu)先級由用戶代碼控制。所述中斷支撐結(jié)構(gòu)可以是有利的。首先，沒有未使用的代碼空間。對于每個源具有專用中斷向量地址的微控制器，通常不能這樣說，因為與未使用的中斷向量相關(guān)的代碼空間通常未使用。其次，用戶加強了對啟用哪些中斷和中斷優(yōu)先級的控制。

硬件環(huán)路計數(shù)器可減少開銷

MAXQ架構(gòu)實現(xiàn)DJNZ指令，可與兩個16位環(huán)路計數(shù)器（LC[0]或LC[1]）寄存器中的任何一個配合使用。在單時鐘周期中，“DJNZ LC[n]，src”指令遞減環(huán)路計數(shù)器寄存器，如果計數(shù)器未達到0，則有條件地將程序執(zhí)行分支到指定地址。對于競爭RISC微控制器，更新計數(shù)器寄存器和測試環(huán)路終止條件通常是兩個獨立的操作。在MAXQ中合并這兩個動作意味著微控制器應(yīng)用代碼中常見的軟件環(huán)路需要更少的代碼和周期開銷來管理環(huán)路計數(shù)器。單周期、DJNZ 觸發(fā)的環(huán)路計數(shù)器遞減和條件分支操作完全遵循我們最大化時鐘周期利用率的目標。

增強的數(shù)據(jù)指針

MAXQ配備三個16位數(shù)據(jù)指針（DP[0]、DP[1]和BP[Offs]）。所有三個數(shù)據(jù)指針均可通過數(shù)據(jù)指針控制（DPC）寄存器中的字/字節(jié)選擇（WBSn）寄存器位單獨配置為字或字節(jié)訪問模式。所有三個數(shù)據(jù)存儲器指針都支持單周期間接內(nèi)存訪問，寫入操作具有前遞增/遞減，讀取操作的遞增/遞減后。其中一個數(shù)據(jù)指針，幀指針 （FP=BP[Offs]），由 16 位基指針 （BP） 寄存器和 8 位偏移 （Offs） 寄存器的無符號加法組合生成。這種類型的指針對于 C 編譯器開發(fā)工具尤其重要，更具體地說，在處理堆棧幀時。

具有馮·諾依曼優(yōu)勢的哈佛記憶架構(gòu)

MAXQ架構(gòu)采用哈佛存儲器結(jié)構(gòu)，其中程序和數(shù)據(jù)存儲器總線是分開的，因此可以在同一時鐘周期內(nèi)同時訪問指令字和數(shù)據(jù)字。這種存儲器組織方式對于實現(xiàn)最大性能并支持訪問數(shù)據(jù)存儲器的指令的單周期執(zhí)行是必要的。使用馮諾依曼存儲器接口的微控制器會遇到與在訪問程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O和外設(shè)之間共享總線帶寬相關(guān)的性能瓶頸。

馮·諾依曼存儲器架構(gòu)的擁護者認為，無法訪問程序空間作為數(shù)據(jù)存儲器，反之亦然是一個弱點。具有可訪問性可以簡化常量存儲、查找表以及系統(tǒng)內(nèi)或應(yīng)用程序內(nèi)編程替代方案。針對這一弱點的MAXQ架構(gòu)解決方案是插入存儲器管理單元（MMU）和固定實用程序ROM，提供邏輯存儲器映射和固定實用程序代碼例程，以支持在系統(tǒng)編程和所需的訪問模式。

集中訪問資源

MAXQ架構(gòu)的另一個重要特性是存在一個傳輸映射，其中包含所有資源的接入點。將其稱為傳輸映射而不是簡單的寄存器映射的原因是MAXQ架構(gòu)所基于的傳遞觸發(fā)概念。

傳輸映射分為 16 個模塊。每個模塊中有 32 個索引或單獨的接入點。應(yīng)該再次強調(diào)的是，這些接入點可用于對寄存器的直接讀/寫訪問，但它們也可用于間接訪問存儲器或觸發(fā)硬件操作。在 16 個模塊中，前 0 個模塊 （M5–M6） 分配給特定于設(shè)備的外設(shè)功能。這在傳輸映射中為外設(shè)寄存器和訪問提供了大量空間（32 x 192 = 10 個位置）。這些模塊基于特定的MAXQ器件選項，填充寄存器以實現(xiàn)數(shù)字I/O、定時器、串行端口、硬件乘法器、LCD驅(qū)動器、ADC和在線調(diào)試器等功能。最后6個模塊（M15-M2）保留用于MAXQ系統(tǒng)功能。系統(tǒng)模塊包含對MAXQ系統(tǒng)工作至關(guān)重要的寄存器，例如用于看門狗、系統(tǒng)時鐘和中斷控制的寄存器。系統(tǒng)模塊還包含工作累加器文件、數(shù)據(jù)指針和源/目標編碼，用于觸發(fā)間接內(nèi)存訪問和/或特殊機器操作?；鞠到y(tǒng)寄存器空間在MAXQ器件選項中盡可能通用。圖<>給出了MAXQ源和目的傳輸圖示例。

圖2.所有MAXQ資源都可以通過中央傳輸圖訪問。

前綴寄存器模塊是MAXQ架構(gòu)的一個特性，值得特別提及。存在單個前綴寄存器，其中數(shù)據(jù)（默認值 = 00h）用于需要它的傳輸操作。此前綴寄存器在加載時將數(shù)據(jù)保存一個時鐘周期，然后返回到 00h 狀態(tài)。索引 （n） 必須伴隨前綴寄存器 （PFX[n]） 選擇。由于傳輸映射中有 16 個模塊和每個模塊 32 個索引，因此無法使用單指令字中可用的源/目標編碼位直接訪問某些位置。模塊中的后 16 個源索引和后 24 個目標索引都是如此。前綴寄存器通過打開對這些位置的訪問窗口來解決此問題，該窗口持續(xù)一個周期。加載 PFX[n] 寄存器時，其索引 “n” 為緊隨其后的指令提供高階源位和目標位，其中 n = dds。在這方面，前綴寄存器模塊是一種手段，通過它可以提供額外的解碼位來訪問擴展（和/或受保護）寄存器。需要加載前綴寄存器的操作和訪問由匯編程序自動生成，不需要由用戶手動編碼。前綴寄存器模塊還可用于在寫入 16 位目標時連接源字節(jié)。盡管前綴寄存器對用戶是透明的，但前綴寄存器正好以這種方式用于跳轉(zhuǎn)和調(diào)用 16 位絕對地址。對于那些對MAXQ架構(gòu)未來增強感興趣的人，前綴寄存器模塊為MAXQ指令集擴展或擴展到當前未使用的系統(tǒng)模塊空間提供了一種無縫機制。

總之，任何MAXQ器件上的完整傳輸映射都包含為該器件定義的所有系統(tǒng)和外設(shè)寄存器。同一映射提供數(shù)據(jù)存儲器、堆棧存儲器和累加器陣列的間接訪問點。該圖包含觸發(fā)MAXQ機器指令和底層操作的接入點，以及在未來MAXQ系列中簡單擴展指令集的機制。將所有資源的訪問點聚合到一個中央傳輸映射中，源到目標傳輸機會的數(shù)量非常大。集中式訪問還簡化了時鐘分配，僅對那些需要時鐘的資源。這促進了非常安靜的環(huán)境（因此MAXQ中的“Q”），這在集成模擬外設(shè)時是有利的。MAXQ架構(gòu)允許外設(shè)功能的最大模塊化和便攜性。此策略有意采用，以配合快速的產(chǎn)品開發(fā)周期和最終用戶不斷變化的外圍設(shè)備要求，從而提高靈活性和重用性。外設(shè)功能的模塊化使得在為某些市場或應(yīng)用創(chuàng)建新的MAXQ器件時，最大限度地減少了復制、添加或刪除標準MAXQ外設(shè)模塊所需的設(shè)計時間。

結(jié)論

MAXQ架構(gòu)是當今微控制器行業(yè)的真正創(chuàng)新。MAXQ利用傳輸觸發(fā)架構(gòu)實現(xiàn)高帶寬、高效率和高正交性的目標。此外，MAXQ系統(tǒng)和外設(shè)資源的模塊化組織有助于優(yōu)化編譯器，并允許模塊的可移植性，以快速創(chuàng)建新的MAXQ導數(shù)。展望未來，MAXQ架構(gòu)內(nèi)置指令集擴展機制，適用于下一代產(chǎn)品。這些令人信服的優(yōu)勢使MAXQ架構(gòu)成為現(xiàn)有和未來項目的理想解決方案，因為無論項目的選擇標準如何，它都不可避免地排名靠前。