[发明专利]一种基于MCU物理载体的微型计算机系统

说明书

本发明公开了一种基于MCU物理载体的微型计算机系统。该微型计算机系统有一个非常小的指令集，只有50条指令。指令有3种不同类型的大小，16位，32位和48比特位。它为用户编程提供了很大的自由度。指令覆盖32位整数和32位浮点数运算。通过MCU微控制器做为硬件载体，该微型计算机系统具有独立的指令系统，独立的数据表示，独立的内存寻址空间和I/O寻址空间，独立的寄存器定义。通过PCB电路板集成CPU和I/O相关的功能硬件，从而系统的IO空间延伸到PCB电路板上的IO接线端子上。

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体涉及一种基于MCU物理载体的微型计算机系统。

技术背景

随着工业物联网产业的兴起，应用于工业设备和环境传感器的数据采集和通讯物联的需求不断增加，对数据采集和通讯控制的功能提出越来越高的要求。具体体现在一方面，面对传感器接口和数量的不断增加，各种传感器和控制器的总线协议多种多样，通过单一的参数配置方式已经难以满足日益增长变化的需求；另一方面，用户对具体的应用提出越来越多的个性化需求，比如对生产工艺控制策略的个性化需求，加之用户对开发部署周期越来越短的要求，基于工控机或MCU从头研发的实现方式难以达到为用户快速部署的目标。为了更好满足对数据采集控制产品的高度定制化和短周期的市场需求这一目标，本发明提出一种基于MCU物理载体的微型计算机系统，通过这种新的设计理念和制作工艺，满足用户的高度定制化需求和缩短开发周期的目标。

本发明提出的微型计算机系统是建立在MCU(微控制器)硬件载体之上的微型计算机系统，具有独立的指令系统，独立的数据表示，独立的寄存器定义和独立的内存空间和IO空间，可执行通过C语言编译的，不同于MCU本身的二进制目标程序。这个目标程序定义了应用功能需求，可以移殖和复用，和具体的物理载体MCU没有直接的相关性，能够完好保存应用层软件功能和技术的继承。应用软件经固化在MCU的非易失存储器之中，完成产品的功能定制。通过这种方式，原本MCU繁杂的初始化和输入输出访问可以通过微型计算机系统的单条IO指令实现，原本门槛较高的MCU编程环境可以通过简单的与硬件细节无关的微型计算机系统概念完成。结合微控制器低功耗，高可靠，低成本的优势，微型计算机系统可以制作成模组形式，应用于物联网数据采集和通讯控制，便于商业化应用。

发明内容

基于MCU物理载体的微型计算机系统有一个非常小的指令集，只有50条指令。指令有3种不同类型的大小，16位，32位和48比特位。它为用户编程提供了很大的自由度。指令覆盖32位整数和32位浮点数运算。一些指令，如长整数除、求模计算都被集成到指令集之中，方便C语言翻译成汇编语言语句。这个指令集包括11条ALU算术逻辑运算指令、5条FPU浮点运算指令、4条数据移动指令、8条内存访问指示、2条输入输出指令、8条BRANCH转移指令、7条JUMP跳转指令、3条调用返回指令和2条数据类型转换指令。这种微小的指令集涵盖了所有必要的功能，包括管理、控制和计算。该微型计算机系统具有4种数据表示，分别为8位字节整数，16位字整数，32位长字整数，和32位单精度浮点数。系统还具有16个32位寄存器RO..Rf，通过指令寻址访问，32位内存空间和32位IO空间，以及32位的程序状态字PSW和32位的程序计数器PC。IO空间的访问通过IN、OUT指令实现，部分IO空间的定义如下：

IO地址空间的编址均以32位长字对界，IO空间寄存器的访问以32位长字为基本单元。

32位内存空间用于程序运行的变量空间和堆栈空间，这些存储区对于C语言程序是透明的，但对于汇编语言，通过指令可以访问指定的内存空间，包括程序中出现的各种常数(在编译阶段可以确定数值及其存储空间)。其中堆栈空间通过Rf堆栈指针访问，其内存堆栈区域会通过子程序调用和返回完成动态的占用和释放，属于程序运行机制的系统用途，因此通过C语言编写的程序，无须关注内存的使用状态，这也为应用软件的开发带来便利。

50条指令系统的定义如下：

第一类，算术逻辑运算指令(11条)