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MCU（Micro Control Unit）微控制器是微电子与计算机技术交叉研究的产物，自20世纪70年代产生以来在学术界与工业界一直是研究的热点。MCU广泛应用于国防、电器、测控系统、消费类电子产品等。本文采用top_down的设计方法设计一款MCU芯片，此MCU使用经典的MCS51指令集；MCU总线结构为数据总线和程序总线相分离的哈佛总线；经典的MCS51微控制器执行一条指令至少占用12个时钟周期，针对指令执行过程冗长的缺点，本文优化了MCU指令的执行过程，设计的指令译码模块译码速度快，执行一条指令最高占用4个时钟周期，比经典的MCS51微控制器的执行效率提高了6倍以上。本文用结构化的Verilog语言描述MCU的译码模块、算术逻辑运算模块等，因此结构清晰，易于扩展。经过验证可以作为嵌入式系统内核。本文首先对MCU做了简要地介绍，之后详细分析了MCS51指令集，并根据指令的特点搭建MCU内核的架构，设计了MCU的主要模块，最后对设计的MCU内核做仿真验证，验证结果显示本文所设计的MCU内核完全兼容MCS51指令集，功能正确。