转——【小梅哥FPGA进阶教程】第十章 MC8051软核在FPGA上的使用下

Zedd · 发表于 2019-3-29 08:49

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本帖最后由 Zedd 于 2019-3-30 15:57 编辑

转——第十章 MC8051软核在FPGA上的使用下

2.2 MC8051 core 的组装
到现在为止，MC8051核RTL级实现的所有模块都已经具备了，接下来就使用将这些模块组装到一起，得到一个含完整mc8051核的Quartus· II工程，在新建工程之前我们还要对一些 mc8051 core 的源文件进行更新修改，使之符合我们的设计。
2.2.1 更新 mc8051 core 的顶层源文件
由于默认提供的源码中的顶层设计文件中的存储模块（ROM、RAM）是仿真时使用的，现在要进行硬件测试，所以必须改成我们实际用到的 ROM、RAM 模块（也就是前一节我们生成的 ROM、RAM 模块）。
(1) 首先在工程目录下新建一个 mc8051core 的文件夹，将 mc8051 core 的源代码文件（位于：\mc8051_Source\VHDL 目录）拷贝到 mc8051core 文件夹。
(2) 打开 mc8051_Source\VHDL 目录下的 mc8051_p.vhd 文件，将原文件中 ROM、RAM 模块调用的代码（如程序清单 2.1 所示）全部替换为符合本设计的程序代码（如程序清单 2.2 所示）。
程序清单 2.1 mc8051_p.vhd 文件代修改代码

程序清单 2.2 mc8051_p.vhd 文件更新的源代码

(3) 打开 mc8051core目录下的 mc8051_top_struc.vhd 文件，首先做如程序清单 2.3 所示修改，其中行末标注“--new”的行为新增加的内容。然后将原文件中 ROM、RAM 模块调用部分的代码修改成如程序清单 2.4 所示的代码。这样就完成了源文件更新修改。

程序清单 2.3 mc8051_top_struc.vhd 文件新增的代码

其中，

和

就是新增加的内容

程序清单 2.4 mc8051_top_struc.vhd 文件中更新的源代码

2.2.2 添加mc8051 Core相关文件到Quartus II工程中

在将mc8051的源码添加到Quartus II工程前，我们需要首先对部分文件的文件名进行更改。原版的VHDL源码，部分文件的文件名末尾加了有“_”，而实际源码中的模块名没有加“_”，因此，如果将这些文件直接添加到Quartus II工程中，编译就会报错，提示找不到模块。

因此我们首先将源码文件以“_”结尾的文件名中的“_”全部去掉，例如，将“addsub_core_.vhd”更改为“addsub_core.vhd”。当所有的文件名更改完成之后，方可添加这些文件到工程中。

在Quartus II软件中，点击【Project】>>【Add/Remove Files in Project】,在弹出的对话框中，点击浏览文件符号，如图 2.21 所示：

图 2.21 添加文件按钮

选择mc8051core文件夹下的所有非配置文件（即以cfg结尾的文件不用选中），然后点击打开按钮，即可将文件添加到工程中来。如图 2.22 所示：

图 2.22 选择需要添加的文件

点“OK”完成文件的添加。

2.2.3设置工程顶层文件在Files栏中，选中mc8051_top.vhd文件，点击右键，选择“Set as Top-Level Entity”，即可将mc8051_top.vhd设置为工程的顶层文件，（这里设置为顶层主要是为了封装IP核方便，临时性的，并不是最终作为工程顶层）。如图 2.23 所示：

图 2.23 选择需要添加的文件

2.2.4 综合工程文件

(1) 综合工程

在 Quartus II 软件的主界面，点击分析和综合按钮（或者直接按键盘组合键ctrl+k），即可开始对工程进行分析和综合。这个过程大概需要几分钟到十几分钟，视软件版本和电脑配置，耗费时间有差异。

(2) 查看RTL图

综合编译后我们需要检查顶层设计是否正确，这时可以通过 RTL 图来检查，双击RTL Viewer，如图2.24 所示

图 2.24 点击打开RTL Viewer

按钮可以打开 RTL 图，我们可以很清晰的看到 8051 core 的顶层结构图，如图 2.25所示。如果没问题我们就可以进行下一步的设计了。

图 2.25 mc8051 core RTL 图

2.3 MC8051 core 在 Quartus II 中的应用

在看这节内容之前建议大家先看一下 2.4 节，了解一下单片机的应用测试程序及测试流

程，因为这两部分内容是同时进行，密切关联。

在这一节我们将对 2.1 节建立的 Quartus 工程做进一步的设计，并将 mc8051 core 应用

于设计中。同时对 Quartus 的简单应用做进一步的学习。具体包括以下内容：

1. 建立 PLL 数字锁相环模块；
* I3 V% b1 |( _; |

2. mc8051 core 在 Quartus II 中的应用设计；' w$ G, W4 W2 j! ^, g

3. FPGA 参数设置；' {. Y; E/ ?8 ?3 O

4. 下载硬件设计到目标 FPGA。
N1 z# O: M( J# _7 n0 n

3 p6 Y/ K( t# t0 |5 z
6 m5 g) p, P: b4 T5 v, e+ C

2.3.1 建立 PLL 数字锁相环模块

众所周知，单片机需要时钟信号才能运行，那怎样才能得到一个稳定而可靠的时钟源呢？我们的实验板上有一个 50MHz 的有源晶振，但对于 mc8051core 来说，频率比较高，需要分频，这时可以用 FPGA 自带的 PLL 调整时钟频率，PLL 输出的时钟频率、相位都可调而且精度很高，下面我们将介绍如何在 Quartus II 中调用 PLL 模块。

(1) 打开我们在 2.1 节建立的 QuartusII 工程，从【Tool】>>【MegaWizard Plug-In Manager…】打开如图 2.13 所示的添加宏单元的向导。

(2) 在图 2.13 中按进入向导第 2 页，按图 2.26 所示输入“pll”选择 ALTPLL，并选择器件类型及存放路径，注意标记部分。

图 2.26 MegeWizard Plug-In Manager page2

(3) 在图 2.26 中按进入向导第 3 页，按图 2.27 所示选择和设置，注意标记部分。由于电路板上的有源晶振频率为 50MHz，所以输入频率设为 50MHz。

图 2.27 page3 设置输入时钟频率

(4) 在图 2.27 中按进入向导第 4 页，在图 2.28 所示的窗口选择 PLL 的控制信号，如 PLL 使能控制“pllena”；异步复位“areset”；锁相输出“locked”等。这里我们不选任何控制信号。

图 2.28 page4 设置控制信号

(5) 在图 2.28中按连续按下直到进入向导第8页，按图2.30所示选择c0输出频率为18MHz，时钟相移和占空比不改变。

图 2.29 page8 设置时钟输出频率

(6) 在图 2.29 中按进入向导第 9 页 c1 的设置界面，由于c1以及后续其他输出都不再使用，因此，这里可以直接跳过其他所有输出的配置，直到最后按完成 PLL 兆功能模块的定制。

在完成定制 PLL 后，在 Quartus II工程文件夹中将产生 pll.bsf文件和 pll.v 的Verilog HDL源文件。

2.3.2 建立MC8051应用工程，

这一小节将讲述如何使用以上移植的mc8051的核建立一个实际的Quartus II 工程并能够在芯航线FPGA学习套件的主板上运行。具体步骤如下：

: a* f% A' ?4 V, u3 R, P

6 F; q4 \4 ^" ~# Z
(1) 在工程顶层中例化mc8051核
% P3 f2 I( j6 s8 s; `$ C

(2) 在工程顶层中例化pll
+ x- D. N5 G& F5 M: [

(3) 对工程进行分析和综合* Z! D+ Z; w. \& x

(4) 分配引脚
/ D$ T& r0 Q; e$ A7 z& L0 R

(5) 编译并生成FPGA配置文件 * b6 n& X g* x' R2 X

(6) 使用USB Blaster配置FPGA

3 b' ]" y. m: n& N/ j4 V9 B$ R4 z
5 ?* @5 U& T" Z) S/ s

! w$ _7 M& D5 y i1 I$ l6 i

打开之前建立的Quartus II工程，打开mc8051_test.v文件，首先编写模块的端口，这个模块的端口也是工程最终的对外引脚，这里直接设置模块端口为mc8051的IO。如程序清单2.5的第1行至第23行所示。

接着在工程中例化mc8051核，这里就是例化mc8051_top。Quartus II中，可以直接在Verilog文件中例化使用VHDL编写的模块，因此这里直接按照Verilog的格式例化mc8051_top即可，如程序清单2.5的第33行至第56行所示。注意，mc8051核的复位端口是高电平复位，而我们开发板上是将复位信号接到了轻触按键上，轻触按键在没有被按下时，输出的是高电平，因此该信号不能直接接到mc8051的复位输入端，需要先将其取反，因此直接在例化时将Rst_n取反后连接到mc8051的reset端即可（第36行）。

然后在工程中例化pll核，例化pll的代码如程序清单2.5的第27行至第31行所示，pll的时钟输入端连接到芯片的时钟输入信号Clk50M上，c0输出为18M，连接到mc8051的时钟输入端口clk上。

程序清单 2.5 mc8051_test.v 文件的源代码

接着我们将mc8051_test.v文件设置为工程顶层，然后点击分析和综合按钮（或者按下键盘组合键ctrl+k）来对工程进行分析和综合。

分析和综合完成后，我们打开Pin planner，进行引脚的锁定。依次点击【Assignments】>>【Pin Planner】，如图 2.30所示：

图 2.30 打开引脚分配卡

这里，我们只需要分配我们使用到的部分外设，没有使用到的暂不做引脚分配。本例中，我们将在Keil中编写软件代码测试mc8051的定时器、串口和P1口。我们使用开发板上板载的4个led灯进行测试P1口P1_o[0:3]的测试。因此我们需要分配引脚的端口有P1_o[0:3]，all_rxd_i，all_txd_o，Clk50M以及Rst_n。其他没有使用的端口暂不分配引脚。引脚分配表如下所示：

将以上引脚对应分配给相应的信号即可。分配结果如图 2.31所示：

图 2.31 引脚分配结果

引脚分配完毕后，关闭Pin Planner，点击Start Compilation(或者键盘组合键ctrl+L)·来对工程进行全编译并生成FPGA配置文件（.sof）。

编译完毕后，使用USB Mini线连接芯航线FPGA开发板，连接上USB Blaster，然后打开Programmer，在Hardware Setup中选择USB Blaster。添加mc8051_test.sof文件，然后点击start即可将生成的配置文件下载到FPGA芯片中。如图 2.32所示：

图 2.32 引脚分配结果

2.4 测试 MC8051 的 I/O、UART 和定时器功能

在这一节中我们将通过一个简单的流水灯、UART 程序验证我们的 mc8051 core。

2.4.1 Keil C 测试程序

我们的 mc8051 core 已经建立起来了，现在需要一个程序进行硬件测试，这里的程序

是指普通的 51 程序，可以用 Keil C 或其它工具来编译我们写的测试程序，并生成.HEX 文件具体的操作过程就不用做介绍了。

如程序清单 2.6 所示是一个简单的测试程序，用于测试 I/O、定时器和 UART。定时器 0 用来做流水灯控制，从 P1 口输出；串口波特率(9600b/s)由定时器 1 决定。

程序清单 2.6 mc8051 IP核测试程序

2.4.2 测试步骤

将程序清单 2.6 的程序进行编译并生成.hex 文件，为了方便大家测试，我们提供了一个创建好的Keil工程，在“mc8051_test\Cproject\uart_led”目录下，使用Keil C51 v4打开。

在Quartus II软件中，依次选择【Tools】>>【In-System Memory Content Editor】，打开In-System Memory Content Editor工具，右侧选择Hardware为USB-Blaster [USB-0]，如图 2.33所示：

图 2.33 选择下载器

然后工具会自动搜索到器件和器件中存在的支持该工具的节点，搜索完成后整个工具界面如图 2.34所示：

图 2.34 In-System Memory Content Editor界面

鼠标选中ROM0（这里是我在配置ROM核的时候修改的索引名，如果你在配置的时候忘了修改索引名，则这里默认显示的名字应该是NONE），点击右键，选择Import Data From File。定位到C工程目录下，我这里为：E:\CoreCourse_fpga\mc8051_test\Cproject\uart_led，选择uart_led_test.hex文件并打开。这时候我们可以看到，工具下方已经有数据了，我们点击下传按钮以将数据传输进FPGA中的ROM中。如图 2.35所示：

图 2.35 下载程序到mc8051的ROM中

然后，我们打开电脑上的串口调试工具（任意一个你熟悉的就行），我这里使用友善串口调试助手，选择板子端口对应串口，设置波特率为9600，数据位为8位，无校验位，1位停止位，接收格式为ASCII。然后点击打开串口，则可以看到串口接收窗口中接收到了开发板传输过来的数据。同时板子开发板上的4个LED灯循环依次点亮。如图 2.36所示：

图 2.36 串口接收的数据

当我们的程序调试无误后需要固定到芯片中永久使用时，就将编译好的hex文件名称修改为mcu_test.hex，替换工程目录下原有的mcu_test.hex文件，然后重新编译文件，然后配置FPGA即可。

小梅哥

2016年2月26日星期五

芯航线电子工作室

附录 A MC8051 指令表

附表 1 MC8051 指令表