微控制器(Microcontroller Unit, MCU)是许多数字系统的核心部件,其控制复杂,对鲁棒性、面积、运算速度、功能等方面都有较高的要求。设计拥有自主知识产权的高性能MCU一直是集成电路设计领域一个富有挑战性的课题。本文的研究正是对此作一次有意义的尝试。本文设计的MCU基于Wishbone总线,内核程序总线16位,数据总线8位,指令与Microchip公司的PIC18C系列单片机兼容,共77条指令,绝大多数指令可以在一个机器周期内完成。通过采用哈佛体系结构以及两级流水线结构,提高了指令的执行速度。本文设计的MCU外设包括GPIO, SPI, I2C,由于ARM处理器的广泛使用,还设计了Wishbone–AHB总线桥接器,使得符合Wishbone规范的主设备和符合AHB规范的从设备之间可以相互传送数据。所有外设作为从设备通过“共享总线”的方式与主设备内核进行互连。本文对内核各子模块的设计、外设的设计、逻辑综合、静态时序分析以及验证等内容进行了详细的探讨。系统用Verilog HDL进行RTL设计,在设计的不同阶段采用Synopsys公司不同的EDA工具,综合和静态时序分析采用是台积电(TSMC)0.18μm工艺库。本文使用Microchip公司的MPLAB作为汇编源程序的编译环境。最终验证结果表明,所设计的MCU完全兼容PIC18C指令集,外设功能基本正确,MCU能按照指定指令执行预定动作,时序和流水线都正确,MCU的基本功能得到实现。由于采用了Wishbone总线,MCU还具有灵活、易于扩展等优点。