MC8051单片机IP核的FPGA实现与应用

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摘要:分析了与标准8051 mcu兼容的MC8051 IP核结构原理与设计层次,详细论述了MC8051 IP核的FPGA实现与
4 e; E+ m! O9 f6 h0 O应用方法。通过试验验证,其性能比标准8051 MCU高,方便与系统其他模块的集成。在各种嵌入式系统和片上系统
8 R) d/ F4 m: p中使用该IP核具有重要意义。

关键词:单片机; MC8051; IP核; FPGA; VHDL

' l( a; {) y4 m4 E; Q' L1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
  v6 c# q; h: @  L& B# y: f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
( N/ s( ~* O; h1 s/ L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人式系统。随着
8 I" x9 @. ^; `/ c& l/ Z现场可编程逻辑阵列(FPGA)及EDA技术的发展,百万门级的
FPGA.可重构的嵌人式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
, U* ~1 g6 F- K集成到一个芯片成为可能。随着IP核技术在FPGA中的应用，
特别是MCU IP核技术的发展，出现了性能不同的嵌人式MCU
9 o: @' G; v/ J软核。MCS -51系列MCU是目前应用时间最长、最普及可获得
# g- l0 c5 x1 i/ c应用资料最多的功能强大的8位MCU,建立8051MCU可综合
8 W9 c; }$ k& s' M- ~0 RIP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用。针对8051
* f2 o# T2 r; @1 @! y6 cMCU的应用前景，出现了几个比较典型的8051 IP核,如
3 [, |5 v2 U2 w- L7 G/ fDW8051核,OpenCore组织的0C8051核及T5I核,MC8051核
.等。这些IP核都是采用HDL语言描述的软MCU内核其与工艺
  n# l7 E7 u( Q* z  K) S9 _4 K( q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MC8051 IP核,通过对MC8051结构原理的分析，详细论述其
在FPGA中的实现及应用。
2、MC8051 IP核基本结构及原理
MC8051是与MCS-51系列微处理器指令集完全兼容
的8位嵌人式微处理器,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 功能特点叫
- Z* }# d3 |; h8 X- G0 @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1~4 个时钟周期,执行性能优于标准
8051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
1 A5 B4 `% g/ J! v2 E# g乘法器(乘法指令MUL);可选择是否使用除法器(除法指令
- ?( \2 }, i3 @* D3 C( s: tDIV);可选择是否使用十进制调整功能(+进制调整指令
DA);/O口不复用,无双向数据/0端口,输人、输出端口独
. a* i0 h4 a0 g. l- T立;内部带256 Byte RAM; (1)最多可扩展至64 KB的ROM
, a7 `0 k) O! K和64KB的RAM;与工艺无关,可通过修改VHDL源代码扩
展及参数化设置。
+ c& q8 q# z+ \, ^* a2.2 MC8051 结构及设计层次
3 `0 y$ C' j) r5 r图1给出MC8051_ core 的顶层设计模块及其子模块,包
) K8 g/ s7 @1 l括顶层的各个信号端口及3个存储器模块。同时给出了项层
的输人输出I/O口"。定时/计数器和串行接口单元,对应于图
中的MC8051_ tmrctr 和MC8051_ gsiu 模块,数量可选择,图中
& i2 _5 p' v, `! `# C& t& _用虚线表示。MC8051 IP 核与工业标准8051 单片机不同，
MC8051的输人、输出并口分别映射到独立的端口上。其顶层.
* J; H5 T, A& n! R9 M! `( |  D各I0信号的描述如表1所利。
MC8051IP核的设计层次及对应的VHDL文件如图2所
* B) {9 r* l& T4 B3 h示内。它由定时/计数器,ALU算数逻辑单元，串行接口单元和
& k6 S- g6 e! b* P' G5 {控制单元组成。RAM及ROM模块不包括在IP核内,处于设
0 {) u& L9 }+ n6 G& c  u
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MC8051 IP 核与工业标准8051 单片机不同,C8051的输人、输出并口分别映射到独立的端口上