（教育技术学专业论文）基于vhdl语言的8051ip核的设计与验证研究.pdf

山东师范大学硕+ 学位论文 基于v h d l 语言的8 0 5 1 i p 核的设计与验证研究 摘要 单片机自1 9 7 6 年问世以来，作为微型计算机一个很重要的分支，受到了人们的广泛 关注和重视，尤其是美国i n t e l 公司生产的m c s 5 1 系列单片机，由于其具有集成度高、处 理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点，在我国已经得到了非常广泛的应 用。然而，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其呈现出诸多弊端，其 速度、规模、性能等指标越来越难以满足用户很多场合的需求。因此单片机芯片的开发、 升级面临着新的挑战。 伴随着集成电路( i c ) 技术的发展，电子设计自动化( e d a ) 已逐渐成为数字集成电 路系统设计的重要手段。并且伴随着系统设计技术的飞速发展，片上系统s o c 以其高集成 度、高性能、低功耗、低成本等诸多优点受到越来越多的关注。而知识产权模块口正是实 现s o c 的核心技术，是s o c 设计的关键。在s o c 设计中几乎都会将微处理器、存储单元 等通用口模块集成到f p g a 中构成可配置的s o c 芯片。基于口核复用技术的设计方法能 大大提高s o c 开发效率，降低设计成本，从而逐渐成为一种主流设计方法一在芯片设计中 大量复用知识产权模块坤，可以使i c 设计者把精力集中在更高层次上的设计上，从而加 快芯片的开发速度。开发具有自主知识产权的核不仅具有广泛的应用前景而且对提高我 国集成电路设计和应用水平具有重要意义。 本论文的研究任务是以8 0 5 1 单片机为蓝本，并与f p g a 内部结构相结合，使用硬件 描述语言v h d l 来实现整个系统的逻辑描述，开发出能够应用于f p g a 的8 0 5 1 i p 核，所 实现的指令系统与8 0 5 1 单片机的指令系统完全兼容。再以q u a r t u si i 软件为工具，完成所 有模块的软件仿真测试。 - 设计并实现8 0 5 1 i p 核具有很多现实意义。从教学上说，可以促进单片机技术和可编程 逻辑器件课程的教学工作，而且目前我国教育信息化资源技术建设正如火如荼，实现的 8 0 5 1 i p 核也可以在某些方面加快教育信息化的发展。 本文首先对8 0 5 1 单片机进行原理分析和特征提取、介绍了e d a 开发工具以及本 核的设计方案。利用自顶向下的设计方法把8 0 5 1 1 p 核划分成了多个子模块，并在q u a r t u s i i 软件中分别用v h d l 语言来完成了各个子模块实现程序的编写。最后，又采用原理图连接 的方法把各个模块连接起来组成了完整的8 0 5 1 i p 核。 设计完成后，在q u a r t u s i i 软件中对所设计的8 0 5 1 i p 核的各个子模块和整体分别进行 山东师范大学硕十学位论文 了仿真验证。仿真中，采用了观察仿真波形的方法来验证仿真的结果。经验证，所设计的 8 0 5 1 i p 核的功能基本正确。 论文的最后，又对本文的工作做了一下总结，指出了论文工作中存在的一些不足，并 提出了以后的迸一步改进和后续工作。 关键词：电子设计自动化；v h d l ；8 0 5 1 单片机；f p g a 分类号：g 4 3 4 u t h er e s e a r c ho f8 0 5 1 i p d e s i g na n d v e r i f yb a s e do nv h d l a b s t r a c t a sav e r yi m p o r t a n tb r a n c ho fc o m p u t e r , s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) h a sa r o u s e d p e o p l ep a y sc l o s ea t t e n t i o nt oa n dt a k e ss e r i o u s l ys i n c ei tw a si n v e n t e di n1 9 7 6 ，e x p e c i a l l yt h e m c s 一5 1s e r i e ss c mw h i c hw a sp r o d u c e db yt h eu s ai n t e lc o m p a n y , h a v ea l r e a d yg e tv e r yb r o a d a p p l i c a t i o ni n0 1 1 1 c o u n t r yf o ri t sc a b i n e t ，f l e x i b l ea n di t sl o wc o s t ，p o w e r f u lc o n t r o l l i n ga n ds o o n b u tw i t ht h ec o m i n go f t h ec o m m u n i c a t i o na g e ，t h ed i s a d v a n t a g eo f t h et r a d i t i o n a ls c m w a s d i s c o v e r e db e c a u s eo f i t sc o n n a t u r a ls t r u c t u r ed e f e c t i t ss p e e d s c a l ea n d p e r f o r m a n c ec a n tm e e t m o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t so ft h eu s e r si nm a n ys p e c i a lf i e l d s s ot h e d e v e l o p m e n ta n d u p g r a d i n go f s c m i sf a c e dw i t hn e w c h a l l e n g e s t h ee l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td e s i g n m e t h o do fd i g i t a lc i r c u i ts y s t e ma st h e i n t e g r a t e dc i r c u i t 。sg r o w i n g a n dw i t ht h eg i g a n t i c d e v e l o p m e n to fs y s t e md e s i g nt e c h n o l o g y g y , s y s t e mo nac b i p ( s o c ) w a sa r o u s e dp e o p l ef a y s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt of o ri t sa d v a n t a g e so f h i g hi n t e g r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dl o wc o s t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fs o c w eu s u a l l ym a k e m i c r o p r o c e s s o ra n dm e m o r ye l e m e n ta n ds oo nt ob ec o m p o s e do fp r o g r a m m a b l es o cc h i p u s i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi ns o cd e s i g nw i t hf p g a t h ed e s i g nm e e h o dw h i c hi so nb a s i so f m u l t i p l e xo fi ph a v eb e c o m et h em a i nd e s i g nm e c h o df o rw h i c hc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y d e v e l o p m e n to f s o c 口d e s i g n i n gm i d d l el a r g ea m o u n to f m u l t i p l e xi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s m o d u l ei nt h ec h i p ，c a nm a k et h ei cd e s i g n e ra c c e l e r a t et h ec h i pe x p l o i t a t i o ns p e e dt h e r e b yo n t h ed e s i g ne n e r g yi sc o n c e n t r a t e do i ll l i g h e rl e v e l d e v e l o p i n gi pt h a t h a v i n gi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h th a v et h ep r o s p e c ta p p l y i n gb r o a d l yn o to n l ya n dh a v ei m p o r t a n c et o r a i s i n go u rc o u n t r yi cd e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o nl e v e l t h er e s e a r c hm i s s i o no ft h i st h e s i si s0 1 1b a s i so f8 0 5 1s c m ，a n dc o m b i n e dw i t hi n n e r s t r u c t u r eo f f p g a , t od e s i g nd e s c r i b t i o no f t h es y s t e mu s i n gv h d ll a n g u a g e t h es y s t e mw h i c hi s c o m i n gt r u ec a nu s ew i t hf p g aa n dt h ei n s t r u c t i o ns y s t e mw h i c hi sc o m i n gt r u ei sc o i n c i d ew i t h t h ei n s t r u c t i o ns y s t e mo f8 0 5 1s c m a n dt h e nc o m p l e t es i m u l a t et e s t i n go f a l lm o d u l e sw i t ht h e t o o lo f q u a r t u si is o f t w a r e i i i 山东师范丈学硕士学位论文 8 0 5 1i pc o r eo f w h a tb ec o m et r u ec a nb o o s to u rm o n o l i t h i cm a c h i n ea n dt h et e a c h i n gm a y b e c o m et h el o g i cc o m p o n e n tc o u r s ew o r k i n g a n d ，o u rc o u n t r yi m p r o v e st h ed e v e l o p m e n t e d u c a t i n gi n f o r m a t i o n i z ea tp r e s e n to nt h ed e g r e ee d u c a t i n gi n f o r m a t i o n i z a t i o nr e s o u r c et ob u i l d 8 0 51i pc o r e sf l a r i n gl i k ef i r es e tt od r yt i n d e r ，c o m et r u eb e i n gu n a b l et oc a nc e r t a i n t h i st h e s i sc a r r i e do u tp r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i s t i ca b s t r a c t i o nt o8 0 51s c mf i r s t l y , i n 仃o d u c e de d a e x p l o i t a t i o ni m p l e m e n ta n dd e s i g np l a no f t h i si pc o r e 8 0 5 1 1 pc o r ew a sd i v i d e d i n t od i f f e r e n tm o d u l e st h a tt h ef u n c t i o nw a ss i n g l ew i t ht h et o p d o w nd e s i g nm e c h o d a n dt h e n e v e r ym o d u l ew a sd e s c r i b e dw i t l lv h d l a n da l lp r o g r a m sw e r es y n t h e s i z e da n ds i m u l a t e dw i t h q u a r t o sns o f t w a r e f i n a l l yt h e8 0 5 1 i ph a db e e ne n t i r e l yc o m p o s e do fa l lm o d u l e sa d o p t i n gt h e m o c h o do f p r i n c i p l ep i c t u r el i n k i n g a f t e rc o m p l e t e dw es y n t h e s i z e da n ds i m u l a t e dt o a l lm o d u l e so f8 0 5 1 i pw i t h q u a t r t u si is o f t w a r e i tu s e dt h em e t h o do fo b s e r v i n gs i m u l a t e dw a v ef o r mt ov e r i f ys i m u l a t e d r e s u l t i ns i m u l a t o r p r o c e s s a n d t h e b a s i c f u n c t i o n o f 8 0 5 1 i p i sc o r r e c t a f t e rs i m u l a t o r i nt h ee n do f t h i st h e s i s ，i tm a d eas u m m a r yt od e s i g np r o c e s s ，p o i n t e do u tt h ed e f e c t so f t h e t h e s i s ，a n ds u g g e s t e dt h en e x tw o r ko f i m p r o v e m e n ta n df o l l o w u p k e y w o r d ：e d a 、v h d l 、8 0 5 1s c m 、f p g a c a t e g o r yn u m b e r ：g 4 3 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声明的，本 栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 季对吨 铆繇妒式 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解出苤匝垫太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山 壅短整盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 咤才睫 导师签字： 节织式 l j ) 签字日期：2 0 0 7 年细“日 签字日期：2 0 0 7 年扛月“1 山东师范大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 电子设计自动化( e d a ) 是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、拓 扑学、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技 术。 电子设计自动化方法的诞生和推广是数字电路设计方法上的一次变革。随着芯片的复 杂程度越来越高，数万门以至数十万门数字电路的设计需求不断增长，传统的基于电路图 的设计方法已不堪承受，而电子设计自动化方法在较高的抽象层次开始电子电路与复杂系 统的设计，并按层次进行管理，能够实现设计共享和重复使用，大大提高了进行复杂电路 与系统设计的能力，设计周期也大幅度缩短。因此，e d a 方法诞生不久就迅速得到了广泛 应用。 近年来，随着微电子学和计算机科学的迅速发展，给e d a 行业带来了巨大的挑战和 变革，电子系统设计已经从电路板级系统集成发展成为包括a s i c 、f p g a 、c p l d 和嵌入 式系统的多种模式。其中，采用硬件描述语言( h d l ) 来描述电路系统，成为推动e d a 技 术发展的关键因素，当前比较流行的硬件描述语言主要有v h d l 和v e r i l o g 语言。而且伴 随着系统设计技术的飞速发展，片上系统s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 以其高集成度、高性能、 低功耗、低成本等诸多优点受到越来越多的关注，系统级芯片s o c 已成为集成电路发展的 主流。著名的p l d 生产厂商a l t e r a 公司在2 0 0 1 年又进一步提出了可编程片上系统s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) ，即用可编程逻辑技术把整个系统嵌入到一块芯片上。 可编程片上系统是一种特殊的嵌入式系统：首先它是系统芯片( s o c ) ，即由单个芯片完成 整个系统的主要逻辑功能。其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩 充、可升级，并具备软硬件在系统可编程功能。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果， 目前o 1 3 微米的a s i c 产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、 存储器、外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。基 于f p g a 的s o p c 设计技术是当前电子系统设计领域最前沿的技术之一，是我们进入s o c 设计最迅速最行之有效的方案。【1 0 】 而p 正是实现s o c 的核心技术，是s o c 设计的关键。在s o c 设计中几乎都会将微 处理器、存储单元等通用口模块集成到f p g a 中构成可配置的s o c 芯片。基于口核复用 山东师范大学硕士学位论文 技术的设计方法能大大提高s o c 开发效率，降低设计成本，从而逐渐成为一种主流设计方 法。在芯片设计中大量复用知识产权模块口，可以使i c 设计者把精力集中在更高层次上 的设计上，从而加快芯片的开发速度。开发具有自主知识产权的口核不仅具有广泛的应用 前景而且对提高我国集成电路设计和应用水平具有重要意义。 1 2 选题的依据和意义 单片机自1 9 7 6 年问世以来，作为微型计算机一个很重要的分支，受到了人们的广泛 关注和重视，尤其是美国i n t e l 公司生产的m c s 5 1 系列单片机，由于其具有集成度高、处 理功能强、可靠性高、系统机构简单、价格低廉等优点，在我国已经得到非常广泛的应用。 但单片机自身也有着许多固有缺点，一定程度上限制了它的使用，主要表现在： 1 低速 由于单片机的工作方式是通过内部的c p u 逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑 功能的，因而无论多高的工作时钟频率和多好的指令时序方式，在串行指令执行方式面前， 其工作速度和效率必将大打折扣。因此单片机在实时仿真、高速工控和高速数据采样等许 多领域显得力不从心。【9 】【1 0 】 2 p c 的“跑飞” 在强干扰或某种偶然因素下，任何单片机的程序计数器( p c ) 都极可能越出正常的程序 流程而“跑飞”，这已是不争的事实。无论多么优秀的单片机，不管具有多好的抗干扰措 施( 如设置各种方式的内外硬件看门狗电路等) 在受强干扰特别是强电磁干扰的情况下， 都无法保证单片机仍能正常工作而不进入“死机”状态。【9 】【1 0 l 3 开发周期长 单片机是以执行软件指令的方式实现逻辑功能的，不同的单片机通常具有不同的汇编 语言，使得程序的移植性差。单片机语言的标准化及其开发手段的标准化工作至今仍未能 实现。另外，在开发单片机的软件编程中需要随时顾及单片机的硬件结构和外围接口。从 而导致了单片机应用系统开发效率低，产品上市周期比较长。【9 j 【m 】 作为8 位经典结构的8 0 5 1 已成为众多厂家广泛用于s o c 的8 位处理器内核，故而在 电子设计中使用较多。因此设计具有自主知识产权的8 0 5 1 软核成为了当前s o p c 设计的 一项重要课题，可以大大方便今后的e d a 设计。因此，如何克服单片机的固有缺点，设 2 山东师范大学硕士学位论文 计开发出指令系统与8 0 5 1 单片机的指令系统完全兼容，并且能够应用于f p g a 的8 0 5 1 i p 核具有非常深远的意义。表现在四个方面； ( 1 ) 可以增加我国知识产权口模块库的储备。目前我国i c 行业与国际水平相差2 5 代，如果没有自己强大的i c 产业，我国失去的不仅仅是争夺未来庞大信息产业市场的主 动权，也将危及经济、政治、信息和国防安全。i c 设计业的最新一轮分工为我国集成电路 设计行业的发展提供了一个很好的切入点。基于口库的s o c 设计方法的建立把“系统集 成”与“功能模块设计”分开，分散了设计难度和规模，能充分发挥各个设计人员的优点， 只要m 设计模块阵容整齐，设计自主知识产权的高端芯片产品将成为可能。因此，若以微 电子设计领域为高科技突破口，以功能块或m 库产业为具体切入点，加大投入，发展 我国独立自主产权的s o c 解决方案，那么我国集成电路产业将在2 1 世纪迎头赶上世界一 流技术。其中，芯片内部的单片机设计技术是目前集成电路设计领域以及电子信息领域的 一项核心技术。而基于s o c 技术的8 0 5 1 自主知识产权模块的设计，对于一家微电子设计 公司和设计人员的技术积累，掌握真实的工业设计经验以及对于一个国家知识产权模块库 的储备都具有重要的意义。1 7 1 ( 2 ) 设计具有自主产权的8 0 5 1 软核可以方便今后的e d a 电子设计。在电子设计中用 到8 位m c u 时，可以直接调用自己设计的8 0 5 1 软核。 ( 3 ) 运用可编程逻辑器件实现的8 0 5 1 单片机内核，克服了传统8 0 5 1 单片机本身固有 的缺点，在最高时钟频率、稳定程度、指令的执行效率、易于升级、易于扩展使用等诸多 方面都有了很大的提高，从而可以大大提高以8 0 5 1 单片机为控制系统的各种应用系统的 性能参数。另外，建立8 0 5 1 m c u 可综合m 核对于各种嵌入式系统和片上系统( s o c ) 的 应用也具有十分重要的意义，通过芯核重用技术，可广泛应用在一些面积要求比较苛刻的 片上系统中。 ( 4 ) 在实际教学中，为了使学生熟练掌握e d a 技术和单片机原理的知识，要求学生通 过做实验来使所学的理论实践化。传统的实验方法比较单调：e d a 实验只能使用e d a 实 验箱，单片机原理实验则只能使用单片机原理实验箱，而如果采用集成了此8 0 5 1 1 p 核的实 验箱，不但可以用来做e d a 实验也可以用来做单片机原理实验，从而可以节省大量资金， 还可以更好的促使学生们把此两门课程结合起来进行学习。另外，在目前国家知名大学中， 计算机组成与结构的课程实验几乎都采用可编程逻辑器件作为硬件设计平台，通过硬件描 述语言进行c p u 以及外围接口的设计、仿真和验证。因此，8 0 5 1 i p 核的设计对我们的实 际教学也有着十分重要的意义。 3 山东师范大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 本论文的研究任务是以8 0 5 1 单片机为蓝本，并与f p g a 内部结构相结合，使用硬件 描述语言v h d l 来实现整个系统的逻辑描述，开发出能够应用于f p g a 的8 0 5 1 i p 核，所 实现的指令系统与8 0 5 1 单片机的指令系统完全兼容。再以q u a r t u si i 软件为工具，完成所 有模块的软件仿真验证。 4 山东师范大学硕一j ：学位论文 第二章8 0 51 结构分析及8 0 5 1 i p 核的总体规划 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机。它把中央处理器 c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、定时器计数器、中断系统以及i o 接口 电路等主要微型机部件集成在一块电路芯片上，具有性能高、速度高、体积小、价格低廉、 应用广泛等特点。 。 8 0 5 1 单片机是美国i n t e l 公司m c s 5 1 系列的典型产品，是我国目前应用最广泛的一 种单片机。本文就是要以8 0 5 1 单片机为蓝本，设计出与其完全兼容的8 0 5 1 口软核。要设 计8 0 5 1 1 9 软核，就需要对其内部结构、工作原理及指令系统有深入的了解，因此我们有必 要先介绍一下8 0 5 1 单片机的内部结构、工作原理以及指令系统，以便对其进行结构分析、 时序分析和指令分析，从而进行特征提取，进而确定8 0 5 1 1 9 核模块的划分和各模块所实现 的功能。 2 18 0 5 1 单片机内部结构原理 8 0 5 1 单片机芯片的内部硬件结构主要包括c p u 、存储器、定时器计数器、中断系统 和i o 口等五部分，分别介绍如下： 2 1 1c p u 结构 8 0 5 1 单片机的c p u 是一个字长为8 位二进制的中央处理单元，即对数据的处理是按 字节为单位进行的，主要由运算- 器( a l u ) 、控制器( 定时控制部件等) 和专用寄存器组三部分 电路组成。【2 】 1 算术逻辑单元a l u 8 0 5 1 的a l u 是一个性能极强的运算器，它既可进行加、减、乘、除四则运算，也可 进行与、或、非、异或等逻辑运算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能。【2 】 2 定时控制部件 定时控制部件起着控制器的作用，由定时控制逻辑、指令寄存器瓜和振荡器o s c 等 电路组成。指令寄存器取用于存放从程序存储器中取出的指令码，定时控制逻辑用于对 m 中的指令进行译码，并在o s c 配合下产生指令的时序脉冲，以完成相应指令的执行。 e 山东师范大学硕 ：学位论文 3 专用寄存器组 专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址、存放操作数和指令执行后的 状态标志等。主要包括程序计数器p c 、累加器a c c 、程序状态寄存器p s w 、堆栈指示器 s p 、数据指针d p t r 和通用寄存器b 等。1 2 2 1 2 存储器结构 8 0 5 1 的存储器有片内和片外之分，片内存储器集成在芯片内部。片外存储器又称外部 存储器，是专门的存储器芯片，需要通过印刷电路板上的三总线来和8 0 5 1 相连接。片外 和片内存储器中，又有r o m 和r a m 之分。 1 片内r o m 存储器 8 0 5 1 内部有4 k br o m 存储器，地址范围为0 0 0 0 h o f f f h ，可外接r o m ，但片内和片 外之和不能超过6 4 k b 。8 0 5 1 有6 4 k 的寻址区，其中0 0 0 0 h 0 0 0 f i - i 的4 k 地址可以为片内 r o m 和片外r o m 公用，1 0 0 0 h f f f f h 的6 0 k 地址区为片外专用。在0 0 0 0 h 0 0 0 f h 的4 k 地址区，片内r o m 可以占用，片外r o m 也可占用，但不能为两者同时所用。为了指示 机器的这种占用，芯片设计者为用户提供了一条专用的控制引脚e a ，若e a 接+ 5 v 高电平， 则机器使用片内4 k r o m ：若e a 接低电平，则标示芯片使用片外r o m 。 4 1 2 片内r a m 存储器 r a m 存储器主要用来存放数据，又称为数据存储器。8 0 5 1 的r a m 存储器也有片内 和片外之分：片内r a m 共1 2 8 个字节，地址范围为0 0 h - 7 f h ，片外r a m 共有6 4 k ，地 址范围为0 0 0 0 h f f f f h 。片内r a m 的1 2 8 个字节可分为工作寄存器区( 0 0 h 一1 f i ) 、位寻 址n ( 2 0 h 2 f h ) 和用户区( 3 q h 一7 f i o 。 3 特殊功能寄存器s f r 特殊功能寄存器是有特殊用途寄存器的集合。8 0 5 1 的s f r 有2 1 个，每个s f r 占用 一个r a m 单元，它们分布在8 0 h f f h 地址范围内。 6 山东师范大学硕七学位论文 2 1 3 定时器计数器 8 0 5 1 内部有两个1 6 位可编程的定时器计数器，为t o 和t 1 。t o 由两个八位寄存器 t h 0 和t l 0 连接而成，其中t h 0 为高八位，t l 0 为低八位。同样，t 1 也由t h l 和t l l 连接而成，其中t h l 为高八位，t l i 为低八位。t h 0 、t l 0 、t h i 和t l l 均为s f r 特殊功 能寄存器中的一个，用户可以通过指令对它们存取数据。t o 和t l 有计数器和定时器两种 工作模式，在每种模式下又可以分为若干工作方式。 在定时器模式下，t o 和t 1 的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经1 2 分频后提供，故定 时时间和单片机时钟频率有关。在计数器模式下，t 0 和t l 的计数脉冲可以从p 3 4 和p 3 5 引脚上输入。t o 和t l 有两个八位的特殊功能寄存器：一个称为定时器方式选择寄存器 t m o d ，用于确定工作模式：另一个叫定时器控制寄存器t c o n ，可以控制定时器或计数器 的启动、停止以及进行中断控制。1 2 1 2 1 4 中断系统 8 0 5 1 共可处理五个中断源发出的中断请求，可以对五个中断请求信号进行排队和控 制，并响应其中优先权最高的中断请求。8 0 5 1 的五个中断源有内部和外部之分：外部中断 源有两个，内部中断源有三个：两个定时器计数器中断源和一个串行口中断源。外部中断 源产生的中断请求信号可以从p 3 2 和p 3 3 ( 即i n t 0 和i n t l ) 弓i 脚上输入，有电平或边沿两 种触发方式。内部中断源t o 和t 1 的两个中断是在它们从全“1 ”变为全“0 ”溢出时自动 向中断系统提出的，内部串行口中断源的中断请求是在串行口每发送完一个8 位二进制数 据或接收到一组输入8 位数据后自动向中断系统提出的。【2 】 8 0 5 1 的中断系统主要由中断允许控制器和中断优先级控制器p 等电路组成。其中， m 用于控制五个中断源的中断请求的允许或禁止。d 用于控制五个中断源的中断请求优先 级，以确定哪个中断请求可以被c p u 最先响应。 2 1 5 i o 端口 i o 端口又称为i o 接口，是单片机对外部实现控制和信息交换的通道，用于信息传 送过程中的速度匹配和增强它的负载能力。f o 端口有串行和并行之分，串行端口一次只 能传送1 位二进制信息，并行i o 端口一次可以传送1 组二进制信息。 7 山东师范大学硕士学位论文 1 并行加端口 8 0 5 1 有四个并行的f o 端口，分别命名为p o 、p 1 、p 2 、p 3 ，在这四个并行f o 端口中， 每个端口都有双向f o 功能。每个f o 端口内部都有一个8 位数据输出锁存器和一个8 位 数据输入缓冲器，四个数据输出锁存器和端口号p 0 、p l 、p 2 和p 3 同名，皆为特殊功能寄 存器s f r 中的一个。因此，c p u 数据从并行f o 端口输出时可以得到锁存，数据输入时可 以得到缓冲。 2 串行i o 端口 8 0 5 1 有一个全双工的可编程串行f o 端口。这个串行f o 端口既可以在程序控制下把 c p u 的8 位并行数据变成串行数据按位从发送数据线t x d 发送，也可以把串行接收到的 数据转换成8 位并行数据传给c p u ，而且这种串行发送和串行接收可以单独进行，也可以同 时进行。 2 28 0 5 l i p 核的顶层设计和系统模块的划分 通过上节对单片机的内部结构介绍，我们对8 0 5 1 的整体组成以及各组成部分的功能 有了一个深入的了解。本节将在前面介绍的基础上，利用e d a 设计方法提出本设计中对 8 0 5 1 i p 核的顶层设计和系统各模块的具体划分。 2 2 1 自顶向下的设计方法 自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法是e d a 技术相对于传统电子设计方法的优势所在， 也只有在e d a 技术得到快速发展的今天才成为可能。一般情况下，使用硬件描述语言设 计数字电路大都采用自顶向下将系统按功能逐层分割的层次化设计方法，这比传统自下向 上的e d a 设计方法有明显的优势。无论从总体行为设计还是最终逻辑综合或形成网表， 每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽快发现系统设计中存在的问题，从而可以大大缩 短系统硬件的设计周期。而且在顶层设计中，可以不必使系统层层细化，从而避开具体的 器件结构，从逻辑行为上直接对模块进行描述和设计，利用e d a 设计软件或相应的第三 方工具软件中的综合器将程序自动综合成为具体网表文件，这种避开具体器件结构的方式 也是它的重要优势之一。【l l 山东师范大学硕士学位论文 2 2 28 0 5 l i p 核的具体分割 本设计采用了自顶向下的设计方法，先从系统的全局考虑进行功能模块划分，然后把 模块再次划分，一直划分到具体细节。设计中，把8 0 5 1 1 p 核系统划分为几个模块，各模块 又可以划分成多个子模块，然后分别用v h d l 语言来实现各个子模块的功能，最后再把各 个模块连接到一起，构成整体的系统设计。 经过前面对单片机内部结构、工作原理的分析，先把8 0 5 1 i p 核系统划分为两大部分： 存储器模块和8 0 5 1 内核( c o r e ) 模块；其中，存储器模块主要包括：内部程序存储器r o m 模块、内部数据存储器r a m 模块、外部程序存储器r o m 模块。8 0 5 1 内核( c o r e ) 模块包括； 定时器计数器模块、串口模块、c p u 模块；其中，c p u 模块是单片机系统中最复杂的模 块，为简化程序的编写，又可以把c p u 模块分为；c o n t r o l 控制模块和算术逻辑a l u 模块。 对各个模块的具体实现，将在第三章中作详细介绍。 2 38 0 5l i p 核的设计工具介绍 2 3 1v h d l 语言介绍【6 1 硬件描述语言是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、 电路结构和连接方式。设计者可以利用h d l 程序来描述电路系统，规定其结构特征和电 路的行为方式，然后利用“综合器”和“适配器”将此程序变成能控制f p g a c p l d 内部 结构、并实现相应逻辑功能的门级或者更底层的网表文件和下载文件。就f p g a c p l d 开 发来说，v h d l 语言是最常用和最流行的硬件描述语言之一，本次设计选用的就是v h d l 语言。 v h d l 语言最早是由美国政府和军方提出的，旨在建立一个电子电路设计自动化过程 中用来描述设计的文档，并且能够作为工业标准的硬件描述语言。虽然到目前为止已经出 现了上百种h d l 语言，但是与其他h d l 语言相比v h d l 有很多无可比拟的优点： ( 1 ) 语言标准规范、描述能力强。从系统的数学模型到门级电路都可以用v h d l 语 言描述，同时高层次的行为描述还可以与低层次的r t l 描述、结构描述混合使用。因此， v h d l 语言适合用来进行硬件模型建模。 ( 2 ) 可读性好、易于共享和复用。v h d l 语言是非常简练的硬件描述语言，既容易被 人读懂、又能被e d a 工具识别，并进行综合处理，最终生成付诸生产的电路描述或工艺 9 山东师范大学硕士学位论文 文件。整个过程可以通过e d a 工具自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了 设计质量，减少了出错的机会。v h d l 语言中设计实体( d e s i g ne n t i t y ) 、程序包( p a c k a g e ) 和设计库( l i b r a r y ) 为设计人员重复使用别人的设计提供了技术手段。 ( 3 ) 设计技术齐全、方法灵活并且支持数字电路的开发环境。l 语言支持自顶向 下、自底向上和基于库的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路、f p g a 以及其它随 机电路的设计。目前大多数e d a 工具几乎在不同程度上都支持v h d l 语言，这样给v h d l 语言进一步推广和应用创造了良好的环境。 ( 4 ) 可以进行与工艺无关的编程。在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺 有关的信息，无论修改电路还是修改工艺并不会对设计产生不良影响。与大多数h d l 语 言不同，用v h d l 语言设计硬件时，当门级或门级以上层次的描述通过仿真检验以后，再 用相应的工具将设计映射成不同的工艺。这样，在工艺更新时就无须修改原设计程序，只 要改变相应的映射工具就可以满足要求。 ( 5 ) 支持层次化出错处理和验证。v h d l 的代码可以用仿真器来验证其功能是否正确。 利用向仿真器中加入输入信号来进行功能模拟，并以元件为基础产生信号图和出错信息。 输入信号的描述可以在波形编辑器中定义波形。当对v h d l 代码进行模拟时就实现了功 能验证。其后可以再对设计作时序验证，从而给出电路的信号延迟信息。在传统的原理图 设计中，设计者必须用手工检查与工艺有关的因素如时序、面积、驱动强度、元件选择和 扇出。用v h d l 进行设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不 需要对与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。 2 3 2q u a r t u s i i 软件及各模块在其中的开发流程介绍 q u a r t u s i i 软件是a l t c r a 公司的新一代e d a 开发软件，提供了完整的多平台设 计环境，可以轻易的满足特定的设计需求，是s o p c 设计的综合性环境。具有如 下特点： ( 1 ) 支持多时钟定时分析、基于块的设计、s o p c 、内嵌s i g n a l t a p i i 逻辑分析器，功率 估计器等高级工具。 ( 2 ) 易于管脚分配和时序约束。 ( 3 ) 具有强大的h d l 综合能力。 ( 4 ) 支持的器件种类众多。 ( 5 ) 支持与大部分的第三方工具进行链接，如综合工具、仿真工具等。 1 0 山东师范人学硕士学位论文 本设计中就采用了在q u a r t u s i i 软件的v 5 0 版本中进行8 0 5 1 1 p 核各模块的开发工作， 基本流程如下： ( 1 ) 输入设计。输入设计的方法有很多，包括文本输入、原理图设计和口核输入等。 ( 2 ) 语法检查。设计输入后要进行语法检查，检查设计是否出现了语法错误，从而确 定设计逻辑上正确。 ( 3 ) 功能仿真。虽然已经确保设计没有语法错误，但仍然不能保证设计是否满足设计 者的功能要求，所以要进行功能仿真。 ( 4 ) 分配管脚和进行时序约束。如果设计的功能仿真满足要求，则开始进行设计分配 管脚和时序约束。分配管脚是将设计文件的输入输出信号指定到器件的某个管脚，设置此 管脚电平标准、电流强度等。时序约束是为了使高速数字电路的设计满足运行速率方面的 要求，在综合、布局布线阶段附加约束。要分析工程是否满足用户的速率要求，也需要对 工程的设计输入文件添加时序约束。 ( 5 ) 综合。当工程中添加设计文件以及管脚锁定后，下一步就是对工程进行综合。综 合的主要功能就是将i - i d l 语言翻译成最基本的与、或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑 单元的连接关系( 网表) ，并根据要求( 约束条件) 优化所生成的门级逻辑连接，输出网 表文件，供下一步的布局布线使用。 ( 6 ) 布局布线。就是使用由综合a n a l y s i s & s y n t h e s i s 生成的网表文件，将工程的逻辑和 时序要求与器件的可用资源相匹配。将每个逻辑功能分配给更好的逻辑单元位置，