【毕业学位论文】（Word原稿）应用VHDL语言进行MCS－51兼容单片机开发-软件工程

目录 1 目 录 摘要 . 3 . 4 第一章 绪论 . 5 成电路设计简介 . 5 成电路发展简史 . 5 成电路设计流程 . 6 成电路设计方法 . 8 言简介 . 8 件描述语言 . 8 言 . 9 51 单片机简介 . 10 片机的产生和发展 . 10 51 单片机 . 11 发工具的选择 . 11 发工具 . 11 司的 I . 12 司的 I . 12 司的 . 12 他辅助工具 . 13 次毕业设计的意义及目标 . 13 毕业设计的意义 . 13 毕业设计的目标 . 14 第二章 系统总体规划与构思 . 15 51 单片机的总体结构 . 15 51 单片机硬件结构的特点 . 15 片机的引脚描述 . 15 51 片内总体结构 . 17 51 单片机的指令分解 . 19 序 . 19 令分解 . 20 部分模块的初步划分 . 22 体设计思想 . 22 模块的划分 . 22 模块的简单说明 . 24 第三章 译码 /控 制模块的实现 . 26 目录 2 码 /控制模块设计思想 . 26 块功能 . 26 计思想 . 26 码 /控制模块的实现过程 . 27 口及控制信号 . 27 第四章 总结与展望 . 33 段成果和心得 . 33 足与展望 . 33 在的不足 . 33 进意见 . 34 附录 . 35 参考文献 . 35 摘要 3 摘要 司生产的其中一个单片机系列的名称。该系列单片机诞生于 1980 年，功能强大、应用方便，已成为单片机 领域的实际标准。而 言则是应用广泛的一种硬件描述语言，目前越来越多的厂商、科研机构在使用 言进行系统开发。 本文详细介绍应用 51兼容单片机开发的过程，包括指令的分解、模块的划分以及功能的实现等。其中，重点讲述控制 /译码模块的实现。 关键词： 硬件描述语言，机器周期，指令周期 is of a 980. It be so it of is a is by to to a is of of of so it go on of of 第一章 绪论 5 第一章 绪论 成电路设计简介 成电路发展简史 自 1958 年美国德克萨斯 仪器公司 (明集成电路（ 简称 ，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和 两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今 40多年以来， 从电路集成到系统集成 这句话是对 品从小规模集成电路（ 今天特大规模集成电路（ 展过程的最好总结，即整个集成电路产品 的发展经历了从传统的板上系统（ 片上系统（ 过程。在这历史过程中，世界 业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革 。 第一次变革：以加工制造为主导的 业发展的初级阶段。 70 年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期 造商（ 场中充当主要角色， 计只作为附属部门而存在。这时的 计和半导体工艺密切相关。 计主要以人工为主， 统仅作为数据处理和图形编程之用。 业仅处在以生产为导向的初级阶段。 第二次变革： 司与 计公司的崛起。 80 年代，集成电路的主流产品为微处理器（ 微控制器（ 专用 这时，无生产线的 计公司（ 标准工艺加工线（ 结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。 随着微处理器和 的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域）， 业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准第一章 绪论 6 化功能的 难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户 则要求不断增加 集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面，由于 细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的 门阵列、可编程逻辑器件（包括 标准单元、全定制电路等应运而生，其比例在整个 售额中 1982 年已占 12；其三是随着 具（电子设计自动化工具）的发展， 计方法引入 计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念 等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金（ 到 市场和发展前景，纷纷开始成立专业设计公司和 计部门，一种无生产线的集成电路设计公司（ 设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线（ 崛起。 第三次变革： 四业分离 的 业 90 年代，随着 兴起， 业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以 中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如 1990 年，美国以 代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃场，大搞 半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个 业发展， 分 才能精， 整合 才成优势。于是， 业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。 计企业 则 更 加 接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产品，直接推动着电子系统的更新 换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更新和新的投入； 计业作为集成电路产业的 龙头 ，为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活 力。 成电路设计流程 现代集成电路设计的基本流程如下图所示： 第一章 绪论 7 从图中可以看出，集成电路设计过程是从顶向下的过程，其流程大致如下： 1行为设计 硬件设计 者根据客户的功能定义进行行为设计，对各个电路功能模块用硬件描述语言（ 成行为级描述。 2布局规划和优化、仿真 对上一步中完成的描述进行布局规划，在进行算法优化的同时，通常还有进行向 描述的转换，使现有的 具能够对布局规划的结果进行逻辑综合。 3综合 综合（ 的目标是将前面得到的硬件描述语言转换为与具体硬件相对应的网表文件。 4逻辑设计与逻辑图输入 将网表文件与厂家工艺库相对应，将网表文件转换成真正的硬件连接关系。 第一章 绪论 8 5布局布线 对上一步的硬件连接关系进行布局布线 ，这有点类似于在 计中使用 行 的设计。 6后仿真 对网表文件进行综合后仿真，看设计能否满足要求。 7版图生成与验证 对布局布线生产的版图进行仿真验证。 8芯片制造 将版图交付厂家进行芯片的流片生产。 成电路设计方法 常用的集成电路设计方法有从顶向下（ 从底向上（ 设计方法。 从顶向下（ 计方法 设计者根据系统内容，把系统划分为单元，然后再把每个单元划分为下一层次的单元，直到设计的最底层为止。 从底向上（ 计方法 这种方法可以看作是从顶向下设计的逆向过程。设计者也是从系统级开始对设计进行逐次划分，但划分过程必须从存在的基本单元触发，设计的最底层是已经制造出来的单元或者是其他项目已开发好的单元以及可外购得到的单元。 言简介 件描述语言 随着电子技术的发展，集成电路的规模越来越大，复杂程度也越来越高。对于如此大规模的和负责程度的电路设计问题，传统的门级描述方法显得过于琐碎和难以管理。 硬件描述语言（ 是顺应这种情况而产生和发展起来的。它是一种能够以形式话方式描述电路结构和行为并用于模拟和综合的高级描述方式，具有类似于高级程序设计语言的抽象能力。 第一章 绪论 9 语法和语义定义都是为描述硬件的行为服务的，它可以自然的描述硬件中并行的、非的规的特性以及时间关系。一般认为， 该具有以下能力： 能在希望的抽象层次上进行精确而简练的描述； 易于产生用户手册、服务手册等文件，以便多人配合工作； 在不同层次上都易于形成用于模拟和验证的设计描述； 在自动设计系统中（例如高层次综合、硅编译器等）可作为设计输入 ； 可以进行硬、软件的联合设计，消除硬、软件开发时间上的间隔； 易于修改设计和把相应的修改纳入设计文件中； 在希望的抽象层次上可以建立设计者与用户的通信界面。 言 从 生之日起，各个 商和科研机构都在建立和使用自己的电路硬件描述语言。这些硬件描述语言各具特色，逐步成为描述硬件电路的重要手段。然而，随着 用的逐步深入，人们发现，各种非标准间存在的差异已成为束缚设计者选择最佳的设计环境和进行相互交流的巨大障碍。因此，要求 准化的呼声越来越高。 由美国国防部在 20世纪 70 年代末提出的 划的产物。它最初的设计思想是定义一种语言用来交换硬件设计数据，在开发过程中得到了计算机工业界、 业界和集成电路生产厂商的支持，包容了现代硬件描述语言应具备的全部特征。 1987 年 12 月， 气和电子工程师协会）正式接受 为国际标准（ 87）； 1993 年，又对 了若干修改，增加了一些 功能（ 93）。目前， 3 的扩展工作扔在进行之中。 概括的说， 有以下主要优点： 有强大的功能，覆盖面广，描述能力强，可用于从门级、电路级直至系统级的描述、仿真和综合。 持层次话设计，可以在环境下，完成从简练的设计原始描述，经过层层细化求精，最终获得可直接付诸生产的电路级或版图参数描述的全过程。 良好的可读性。它可以被计算机接受，也容易被读者理解。用 写的源文件，既是程序又是文档，既是技术人员直接交换信息的文件，又可作为合同签约者之间的 文件。 良好的可移植性。作为一种已被 认的工业标准，实上已成为通用的硬件描述语言，可以在不同的设计环境和系统平台中使用。 第一章 绪论 10 使用 以延长设计的生命周期。因为 硬件描述与工艺技术无关，不会因为工艺变化而使描述过时。与工艺技术有关的参数可通过 供的属性加以描述，工艺改变时，只需要修改相应程序中的属性参数即可。 持对大规模设计的分解和已有设计的再利用。 以描述复杂的电路系统，支持对大规模设计进行分解，由多人、多项目组来共同承担和完成。标准化的规则 和风格，为设计的再利用提供了有力的支持。 片机简介 片机的产生和发展 随着电子技术的发展，数字技术和计算机技术已渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事娱乐等每一个领域以及生活中的每一个角落，其应用的广度和深度已经到了令人无不为之咋舌惊叹的地步！当今，工程技术人员在设计开发一个系统或一个新产品的时候，首先考虑的是如何应用计算机技术以提高市场竞争能力，计算机已经成为最重要的工具。尽管的应用已相当普遍，但是，在工控领域、在日益追求小而精，轻而薄的自动化控制器月动 化仪器仪表、家电产品等方面， 仍有所不相适宜。而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求 技术与之相适应。 在这种情况下，单片机应运而生了。单片机（ 它的优异的控制功能，在工控领域、智能化仪器仪表系统等日益显示着强大的生命力。一小小的芯片（几个平方厘米）便具有了计算机的基本功能，从而使工控系统、仪器仪表、家电产品等向智能化方向产生了飞跃。也正是由于这种原因，从 80 年代以来，无论是教学科研领域，还是工程开发部门，学习单片机，应用单片机，新技术浪潮一浪 高过一浪。单片机技术也由最初的 8 位发展到 16 位和 32 位（ 息处理能力甚至超过了 0286），功能也由单一型发展到了丰富实用型。 单片机的发展大概经历了四个阶段： 第一阶段（ 1971 1974 年）： 1971 年 11 月，美国 司首先设计出 4 位微处理器 004，并且配有随机存取存储器 读存储器移位寄存器等芯片，构成第一台 4 微型计算机。 1972 年 4月 司又研制成功了功能较强的 8 位微处理器， 008。在此期间，司也 研制成功了 处理器。从此拉开了研制单片机的序幕。 第一章 绪论 11 第二阶段（ 1974 1978 年）：初级单片机阶段。以 司的 48 为代表。这个系列的单片机集成有 8 位 行 I/O 口、 8 位定时 /计数器。 第三阶段（ 1978 1983 年）：高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、 16 位定时器 /计数器。片内量加大，寻址范围可达 64K 字节，有的片内还带有 A/D 转换器接口。这类单片机有 司的 51， 司的 6801 和 司的 。 第四阶段（ 1983 年）： 8 位单片机巩固发展和 16 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机及专用单片机，另一方面又不断完善高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要。 51 单片机 在单片机发展过程中， 司扮演了重要角色。 司生产的其中一个单片机系列的名称。该系列单片机诞生于单片机发展的第三阶段，是在 48 的基础上推出的增强型产品。属于这一个系列的单片机芯片有许多，包括 8031， 8051， 8751 等等。 由于 51 单片机功能强大、应用方便，在小到中型应用场合常常见其身影。 8051 更是成为单片机领域的实际标准。 80 年代中期， 051 的内核使用权以专利互换和出售的形式转给世界上许多著名的 造厂商，如 门子、 ，这样 8051 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百个品种的大家族。而随着硬件的发展，支持 51 系列的开发工具也越来越多，在编程语言的选择上也越来越灵活（如 C、 语言）。 发工具的选择 发工具 随着 用的逐渐广泛，各个厂商的 发工具也越来越多。常用的有 司的 I， I， 司 司的 司的 等。这些工具各有第一章 绪论 12 特点，各有优势。 司的 I 供了一种与结构无关的全集成化设计环境，使设计者能对 计输入、快速处理和器件编程。 的优点主要表有： 与结构无关 译程序）支持从 供与结构无关的 有强大的逻辑综合与优化功能。 全集成化 理和校验功能全部集成在统一的开发环境下，可以加快动态调试，缩短开发周期。 丰富的设计库 计者调用，其中包括 74系列的全部器件和多种特殊的逻辑宏单元（ 以及新型的参数化的巨单元（ 调用库单元进行设计，可以大大减轻设计工作量，设计周期成倍缩短。 缺点：由于 少语法均不支持。 司的 I I 是 能相当强大，并提供 快 速设计软件 帮助设计者加快可编程单芯片（ 计 。 包括 缺点：跟 司的 功能强大，支持方框图（ 有限状态机（ 编辑，操作简单，使用方便。同时它提供了强大的时序仿真功能，并支持外挂 软件进行逻辑综合、布局布线等。是进行前端开发的最好的工具之一。 第一章 绪论 13 他辅助工具 在毕业设计中，还用到了其他一些开发工具，如 1系列单片机应用程序的一款工具，支持汇编、 时支持软件仿真，支持全速、单步调试，与单片机真正运行环境相差无几，而且可以很方便的观测单片机内各个寄存器的变化情况。 次毕业设计的意义及目标 毕业设计的意义 目前我国的信息产业正在迅猛发展，但作为其支撑的集成电路产业 却还出于比较落后的状况。生存中向前发展的良性循环道路；我国目前生产的集成电路只能满足国内市场需求的 20%，更重要的是，关系到我国信息安全和信息产业需求的关键集成电路，如计算机的核心芯片、 线通信系统中的高速公路、 网关网卡电路、多媒体中的信息处理电路等，都几乎是 100地从国外进口地。这无疑极大地威胁这我国信息网络乃至整个国家的安全；制约着我国微电子行业乃至整个信息行业的发展；限制着我国微电子产业在国内外市场上的竞争力。 在 1999 年 8 月 20 日中共中央国务院关于加速技术创新，发展高 科技，实现产业化的决定中指出：“突出高新技术产业领域的自主创新，培养新的经济增长点。在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机软件、数字化电子产品等方面加强高技术创新，形成一大批拥有自主知识产权、具有竞争有事的高新技术产业。”这里集成电路设计与制造被放在电子信息领域高技术创新的第一位。根据这一精神，通信、计算机和多媒体家电等集成电路的设计和制造将被科技部纳入“十五”高科技和公关的中大课题；系统芯片基础研究将列为“自然科学基金”“十五”计划的优先资助领域；微电子电路设计被信息产业部列为我国“ 十五”规划的重点发展方向。所有的这一切，都预示着一场集成电路设计与制造的大战役即将在我国吹响进军号。 广东省政府同样对集成电路设计给予了充分的重视，并且在华南理工大学建立了广东集成电路设计与培训中心。身为华工电子与信息工程系的一分子，必须掌握集成电路设计的一般方法，争取以后为我国我省的集成第一章 绪论 14 电路发展贡献一份力量。 毕业设计的目标 本次毕业设计的目标，是利用 言来开发与 8051 单片机兼容的 。并利用 司的 片进行硬件验证和进行各种兼容性测试。 由于 8051 单片机内部 采用模块结构，因此本次设计任务也按照各个不同模块来进行划分。本报告将着重介绍 8051模块的划分以及译码器部分的实现。 本次毕业设计的目标是通过设计一个与 8051 单片机完全兼容的 核，初步掌握集成电路设计的一般方法，了解集成电路设计的流程，为日后设计更复杂的 核做好准备。 第二章 系统总体规划与构思 15 第二章 系统总体规划与构思 片机的总体结构 51 单片机硬件结构的特点 片机的基本组成如下： 1、一个 8 位的微处理器。 2、片内数据存储器 128B/256B），用以存放可以读 /写的数据。 3、片内程序存储器 4用以存放程序，数据和表格。 4、四个 8 位并行 I/O 口 个口既可以用作输入，也可以用作输出。 5、两个定时器 /计数器，每个都可以设成对外计数和内定时方式。 6、五个中断源的中断控制系统。 7、一个全双工 用异步接收发送器）的串行 I/O，用于串行通讯。 片机的引脚描述 列单片机通常采用 40 引脚的双列直插封装（ 式）。其管脚排布如图 第二章 系统总体规划与构思 16 图 面按其引脚功能分为四部分叙述这 40 条引脚的功能。 1 主电源引脚 40 脚）接 5V 电压； 20 脚）接地。 2 外接晶体引脚 19 脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 18 脚）接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。 3控制或与其他电影复用引脚 9 脚）： 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机服务。 电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部 数据不丢失。 30 脚）：当访问外部存储器时， 许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器， 仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 29 脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次 有效的 号将不出现。 31 脚）：当 保持高电平时，访问内部程序存储器，第二章 系统总体规划与构思 17 但在 序计数器）值超过 0，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 4输入 /输出（ I/O）引脚 （ 39 脚 32 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的低 8 位及数据总线复用。 （ 1 脚 8 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。 （ 21 脚 28 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 程和程序验证期间，它接受高 8 位地址。 （ 10 脚 17 脚）：是 8 位准双向 I/O 口，在 ，这 8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。 作为第一功能使用时，作为普通 I/O 口用，功能和操作方法与 相同。 作为第二功能使用时，各引脚定义如表 2 1 所示。 表 2 1 口的第二功能定义 口线 引脚 第二功能 0 行输入口） 1 行输出口） 2 部中断 0） 3 部中断 1） 4 时器 0 外部输入） 5 时器 1 外部输入） 6 部数据存储器写脉冲） 7 部数据存储器读脉冲） 51 片内总体结构 51 片内总体结构的详细框图如图 示。它主要由九个部件组成，这九个部件是： 1 个 8 位的中央处理器； 4只读存储器；128 字节 /256 字节的数据存储器（ 32 条 I/O 线； 2 个或 3 个定时器/计数器； 1 个具有 5 个中断源、 2 个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通信、 I/O 扩展或全双工 用异步接收发器）的串行口；特殊功能寄存器（ 以及一个片内振荡器和时钟电路。这九个部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是通用 上外围芯片的结构第二章 系统总体规划与构思 18 模式。但在功能单元的控制上却有了重大变化，采用了特殊功能寄存器（ 集中控制方法。 图 简化的结构框图。 第二章 系统总体规划与构思 19 图 片机的指令分解 序 一条指令可以分解为若干基本的微操作。所谓微操作，通常是指 钟沿或有效电平）上能够完成的操作。在执行程序时，单片机指令经过指令译码，被翻译成一系列微操作控制信号，控制相应的单元完成一定微操作。而这些微操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，这些次序就是计算机的时序。 时序是非常重要的概念，它指明了单片机内部以及内部与外部互相联系所遵循的规律。 图 第二章 系统总体规划与构思 20 图 振荡周期：指为单片机提供定时信号 的振荡源的周期。 时钟周期：又称状态周期或 为时钟发生器是上述的 2分频触发器，所以它是振荡周期的两倍，时钟周期被分为两个节拍，即 2节拍。在每个时钟的前半周期， 时通常完成算术逻辑操作；在每个时钟的后半周期， 部寄存器与寄存器间的传输一般在此状态发生。 机器周期：一个机器周期由 6个状态（ 12个振荡脉冲）组成，即 6个时钟周期， 12个振荡周期。可依次表示为 态 1拍 1）、 态 1拍 2）、 态 6拍 1）、 态 6拍 2），每 个节拍持续一个振荡周期，每个状态持续 2个振荡周期。可以用机器周期把每一条指令划分成若干个阶段，每个机器周期完成某些规定操作。 指令周期：是执行一条指令所占用的全部时间，一个指令周期通常含有 1 4个机器周期。 在 51指令系统中，指令长度为 1 3字节，除 法）和法）指令外，单字节和双字节指令都可能是单周期和双周期的， 3字节指令都是双周期的，乘法指令为 4周期指令。 令分解 通过对单片机指令的具体分解，我们可以详尽的了解单片机的整个运作过程，了解各个寄存器在指令执行过程中 所起的作用，以及数据在各个时间上的流向等。这对模块的划分、有限资源的重复利用以及各个模块的具体实现均有指导性的作用。 51的指令从功能上来划分，大概可以分成 算术操作类指令 、 逻辑操作类指令 、 数据传送类指令 、 布尔变量操作类指令 和 控制程序转移类指令 等 5大类指令。这些指令从长度上看有单字节、双字节和三字节之分，从执行时间上看有单周期、双周期和 4周期指令的不同。分解指令，必须找出各个指令的共同点，以尽量少而合理的微操作来实现指令的具体执行过程。 第二章 系统总体规划与构思 21 对所有的指令来说，前 6个状态是基本相同的，即先从指令 令操作码，经过两级译码，形成微操作控制信号，同时进行数据地址译码，形成操作数有效地址。在第 4个状态，如果是多字节指令，要从 果是间接寻址，则要形成新的数据有效地址。第 5个状态进行指令执行的第 1步骤。第 6个状态协会结构。对于单周期指令，在此执行完毕，返回第 1状态，开始执行下一条指令；否则，还要经过下面的状态，完成指令的执行。指令执行过程的状态转换见图 图 里以算术操作类指令 , 细介绍指令的具体分解： 指令名称 , 器码 00101节数 1 指令周期 1 状态 下降延， 高，将 应地址处内容锁存到指令寄存器 1序计数器加一，同时把 2 序计数器的值更 新到 )和 )，同时取 位，算出 8+r 据得出的 读出数据到 二章 系统总体规划与构思 22 下降延， 高，将 应地址处内容锁存倒指令寄存器 4于是单字节指令，故程序计数器不再加一 序计数器的值更新到 加结果送回 6 部分模块的初步划分 体设计思想 通过对单片机指令的分解，我们对单片机的整个运作过程有了比较深入的认识 。由于单片机指令的执行过程是一个周而复始的取指令、分析指令和执行指令的过程，微处理器可以看成是典型地带有数据路径地有限状态机，其中时钟电路与控制单元组合构成了有限状态机，指令的运算在数据路径中进行，外围电路构成 协处理器。 确定系统状态以后，可以着手编写芯片的行为级描述及进行模块的划分。这里遵循的方法是从顶向下（ 方法。即根据系统功能划分好各个模块；然后对各个模块进行具体代码的编写，并对各个模块进行单独的功能测试；最后将完成的各部分模块统一、连接起来进行总的调试。 模块 的划分 在 8051 单片机内核中，各元件间通过总线来传递数据和控制信息，并且各元件之间有严格的时序关系；为了充分的利用硬件资源，指令将被划分为各种微操作，并且要使各指令之间拥有共同的微操作，以降低译码的复杂度。因此，在本 51 内核的设计中，将按照由顶向下的设计方法，用人工的方法对芯片进行划分。划分的过程分两个步骤，首先把芯片分割为控制器和数据路径（控制器如译码器 据路径如 ），再进一步细划为一系列寄存器级的功能模块。 第一步划分的目的在于利用已经验证过的算法，把芯片的控制和数据运算 部分分离。分离后的结果如图 示。对控制部分来讲，分离后的第二章 系统总体规划与构思 23 模型应能够对确定指令发出缺点的微操作绪论；对数据路径来讲，要确定运算自用分配，也就是把执行具体指令的微操作绪论分配到一定的硬件资源上，并能够根据微操作控制信号的状态完成相应的操作。 图 二步则根据 8051 单片机所具备的功能以及其内部实际模块的划分为寄存器级单元，同时确定芯片的体系。本次毕业设计的 8051 内核从功能上主要划分为 块（ 译码器模块（ 、计数器模块（ 中断控制模块（ 通用异步接收 /发送控制器模块（ 算术运算单元控制模块（ 组成。 内部数据交换可以采用信号赋值形式或者采取总线结构。考虑到以后51 内核功能扩展的需要，以及让模块之间的关系更加清晰，决定采用总线结构作为内部数据交换的形式。 译码方式也有集中译码和分别译码两种备选方案。一般地讲，集中译码方案要比分别译码方案要好。首先，从功能划分的角度来看，集中译码使得电路复杂性降低，电路及其模型直观易懂，有利于电路自动综合；其次 ，当需要给电路增加新功能时，若采用集中译码方案，只需对硬件作较小的改动就可以实现。但是，对于较简单的硬件，采用分别译码方案，电路规模要小一些。 综上所述，本次设计采用集中译码和总线结构的方式来构建 51 单片机内核。其结构图如图 第二章 系统总体规划与构思 24 R A M 模 块R O M 模 块I n t e r r u p t 模 块T i m e r 模 块D e c o d e r 模 块A L U 模 块 U A R T 模 块L a t c hL a t c hL a t c hL a t c P 2地 址 总 线数 据 总 线控 制 总 线中 断 申 请指 令P 1P 3外 部 中 断 ， 时 钟 源中断标志中断标志清中断标志串 口 通 讯时 钟复 位时 钟 总 线地 址 / I 各模块的简单说明 块： 本模块的主要负责从 取得指令代码 /操作数。模块中的寄存器包括程序计数器 地址寄存器 内部 4K 8 译码 /控制模块（ 产生系统内部的同步信号。 在每个 译码并把该指令的各个时刻的控制信号存入寄存器，再在接下来的每个时刻把相应的控制信号放到控制总线上（指令从 始执行），控制各个模块协调工作，完成指令操作。 在每个 刻检查如果有中断申请，则判断如果当前指令不是如果是访问 话，由中断部分控制等到下一条指令开始执行后再申请中断）则响应该中断，在接下来的 3 个指令周期内把 栈，和跳到相应的入口处。 块： 模块中包括 128 字节的 堆栈指针 第二章 系统总体规划与构思 25 复位时把堆栈指针 7H。一个 81成 定时 /计数器模块： 模块中包括寄存器 其实现的功能包括完成 4种工作方式的定时 /计数器；每个 中