本文使用Verilog语言编写源代码,经过功能仿真,逻辑综合,静态时序分析,门级验证等设计流程,设计了一个完整的八位MCU。完成后的MCU具有数据总线与指令总线分离并行、两级指令流水线、指令单周期等特点。整个MCU系统共包含17个功能模块,可以分为控制逻辑、运算逻辑、存储器及其接口、附加功能逻辑、外部通信端口五个部分。控制逻辑负责控制系统工作节拍,完成选择指令、读取指令、译码后提供操作数及操作微指令等功能;运算逻辑负责对数据总线上的操作数进行逻辑或算术运算;存储器负责保存指令(存储介质为ROM)和数据(存储介质为RAM),通过接口电路与系统交互;附加功能逻辑包括定时器、比较器等常用功能,加强了MCU的独立工作能力。MCU的外部端口共包括12个独立的可编程I/O口,与其他设备的通信可以通过对这些端口独立编程实现。考虑MCU支持常见通信协议的需要,集成了基于RS-232标准的USART模块。这一模块可以实现多种频率下的同步、异步串行数据收发,可以与支持这一标准的其他设备进行串行通信。本文详细介绍了从功能模块划分到门级验证的前端设计步骤。整个设计基于0.35μm工艺库进行了逻辑综合和静态时序分析,并在20MHz工作频率下进行了仿真,仿真的结果与项目要求完全一致。MCU的源代码使用Verilog语言编写,仿真工具使用ModelSim和Verilog-XL,综合工具使用DesignCompiler,静态时序分析工具使用Primetime。完成后的MCU与微芯公司的PIC系列兼容,可以应用于需要嵌入式自动控制的各个领域。