基于51单片机IP核的FPGA实现与应用

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　　1 引言
　　长期以来，单片机以其性价比高、体积小、功能灵活等方面的独特优点被广泛应用。但受其内部资源的限制，单片机需要在片外扩展相关资源。为了达到处理速度和控制灵活性方面的需求，采用微控制器和可编程逻辑器件设计单片机嵌入式系统。随着现场可编程逻辑阵列(FPGA)及EDA技术的发展，百万门级的FPGA、可重构的嵌入式MCU核、功能复杂的IP核及各种功能强大的EDA工具的出现，实现将MCU、存储器和一些外围电路集成到一个芯片成为可能。随着IP核技术在FPCA中的应用，特别是MCU IP核技术的发展。出现了性能不同的嵌入式MCU软核。MCS-51系列MCU是目前应用时间最长、最普及、可获得应用资料最多的功能强大的8位MCU，建立805l MCU可综合IP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用。针对8051MCU的应用前景，出现了几个比较典型的805l IP核，如DW8051核．OpenCore组织的0C8051核及T51核，MC805l核等。这些IP核都是采用HDL语言描述的软MCU内核，其与工艺无关，能够在多种FPGA上进行逻辑综合及实现。这里采用免费的MC805lIP核，通过对MC8051结构原理的分析，详细论述其在FPCA中的实现及应用。
　　2 MC8051 IP核基本结构及原理
　　MC8051是与MCS一5l系列微处理器指令集完全兼容的8位嵌入式微处理器，通过芯核重用技术，可广泛应用在一些面积要求比较苛刻，而对速度要求不是很高的片上系统中。
　　2．1 MC8051功能特点
　　采用完全同步设计：指令集和标准8051微控制器完全兼容；指令执行时间为l～4个时钟周期，执行性能优于标准805l微控制器8倍左右；用户可选择定时／计数器、串行接口单元的数量，最多可增加到256组；新增特殊功能寄存器用于选择不同的定时／计数器、串行接口单元；可选择是否使用乘法器(乘法指令MUL)；可选择是否使用除法器(除法指令DIV)；可选择是否使用十进制调整功能(十进制调整指令DA)；I/0口不复用，无双向数据I／O端口，输入、输出端口独立；内部带256Byte RAM；⑾最多可扩展至64 KB的ROM和64 KB的RAM；与工艺无关，可通过修改VHDL源代码扩展及参数化设置。
　　2．2 MC8051结构及设计层次
　　图1给出MC805l_eore的顶层设计模块及其子模块，包括顶层的各个信号端口及3个存储器模块。同时给出了顶层的输入输出I／O口。定时/计数器和串行接口单元，对应于图中的MC805l_tmrctr和MC8051_siu模块，数量可选择，图中用虚线表示。MC8051 IP核与工业标准8051单片机不同，MC8051的输入、输出并口分别映射到独立的端口上。其顶层各I／O信号的描述如表l所示。






　　MC805lIP核的设计层次及对应的VHDL文件如图2所示嘲。它由定时／计数器、ALU算数逻辑单元、串行接口单元和控制单元组成。RAM及ROM模块不包括在IP核内，处于设计的顶层，方便于不同的应用设计及仿真。



　　图2中，最顶层是用户的实际应用设计模块，它将ROM、RAM及mc8051_core封装在内部。实际应用中用户可添加自定义附加逻辑模块，与设计层次中的RAM、ROM模块处于同一个层次。
　　2．3 MC8051硬件模块
　　单片机作为一个大型设计，其内核由定时器时钟管理单元、ALU算数逻辑单元、串口及控制单元、存储单元RAM及ROM等模块组成。
　　2．3．1 时钟管理单元
　　MC8051内核采用完全同步的时钟设计。只有一个时钟信号控制每个存储单元的输入。没有使用门时钟，时钟没有输入到任何组合逻辑单元。中断输入线使用两级同步(锁存2次)与全局时钟同步。可以达到完全同步，即使用其他时钟的外部电路在驱动。并行I／0端口没有采用这种同步方式。
　　2．3．2 定时器、串口和中断
　　标准8051微控制器只提供两个定时／计数器单元、一个串口单元及两个外部中断源。而在MC805l IP核中，这些单元最多可增加到256组，只需修改VHDL源代码增加兼容的单元数。在VHDL源程序文件mc8051_p．vhd中，更改C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT的常量值就可以，其范围是1"256。相关的VHDL代码如图3所示。



　　这里C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT3个常量参数不能独立修改数值，只能同时增减。C_IMPL_N_TMR加l意味着对应的添加了2个定时/计数器、一个串口单元和2个外部中断源。为了能寻址所生成的单元而不改变微控制器的地址空间，在微控制器的特殊功能寄存器(SFR)内存空间增加了2个8位寄存器作为附加功能寄存器：分别是TSEL(定时／计数器选择寄存器，地址为Ox8E)和SSEL(串口选择寄存器，地址为Ox9A)。如果以上的寄存器指向不存在的器件单元，将使用默认的l单元，如果没有对这两个寄存器赋值，其缺省值为1。如果在中断发生期间设备(寄存器)没被选中(比如TSEL)，那么相应的中断标志位将保持置位，直到执行中断服务程序。
　　2．3．3 存储器接口单元
　　由于采用优化结构设计，存储器采用同步结构，限制输入、输出的时序，因而存储器输入、输出数据没用寄存器寄存。
　　2．3．4 可选择指令
　　在某些场合，有些指令是用不到的，因此，通过禁用这些指令节省片上资源。这些指令有8位乘法器(MUL)、8位除法器(DIV)和8位十进制调整器(DA)。禁用时只需要在VHDL源程序文件MC8051_p．vh中将C_IMPL_MUL(乘法指令MUL)、C_IMPL_DIV(除法指令DIV)或C_IMPL_DA(十进制调整指令DA)的常量值设置为0即可。如果这3条可选指令没有被执行，器件可节省约10％的资源。相应的VHDL程序代码段如图4所示。