指令集控制和寄存器管理技术是实现高性能控制处理芯片设计的重要技术。本课题的研究目的是:深入研究指令集控制与寄存器管理技术,并把理论研究应用于自主研究设计的8位MCU芯片的指令流水和寄存器配置管理设计。最终,仿真验证所设计电路功能与时序的正确性,目标是做出芯片产品。本文先从指令集控制技术开始。首先,深入研究两种基本指令集架构CISC与RISC,并对比分析目前三种典型的RISC架构,如ARM、MIPS和PIC。从而掌握如何把指令体系结构设计与芯片系统设计有效结合。其次,对能够实现控制处理芯片高性能设计的指令流水技术进行分析研究。从如何设计流水深度、流水分段及流水的相关性问题三个方面,进行分析研究,把握流水设计的关键问题及实现技术。对于寄存器管理技术,首先,研究在控制处理芯片中如何进行寄存器的合理配置。其次,对基于编译的寄存器优化和寄存器窗口,这两种优化管理技术的原理及结构进行研究,掌握它们的设计及应用特点。基于以上的理论研究,把指令集控制与寄存器管理技术有效结合,应用于自主研发的8位MCU芯片设计。首先,本设计选择PIC中档指令集,指令的处理采用非完全指令流水设计,并解决流水设计中的相关性问题。对指令流水的关键电路:程序计数器PC、指令寄存器IR、译码电路ID、ALU电路等模块进行具体电路设计仿真。其次,合理配置系统寄存器,设计寄存器电路。借鉴寄存器窗口思想,对寄存器进行分区优化管理设计。最后,在MPLAB IDE v7.20中编写仿真程序;在Cadence的Spectre-Verilog混合仿真软件中,搭建MCU系统验证平台,验证指令流水及寄存器配置管理的功能与时序正确性。电路的版图工作由版图组完成,最终采用MPW方式,在上华0.5um工艺线上流片。