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
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
中使用该IP核具有重要意义。
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# {* _( O" o  j4 x! ]! T关键词:单片机; MC8051; IP核; FPGA; VHDL
: L. A4 {! ~# j1 L
1引言
- t& f+ R7 |' _) T6 u( Y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,
) W* H8 m8 {4 H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
现场可编程逻辑阵列(FPGA)及EDA技术的发展,百万门级的
6 f+ H( [  Y6 ?+ L- e- L2 qFPGA.可重构的嵌人式MCU核、功能复杂的IP核及各种功能
5 L) s" C2 s" k- I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FPGA中的应用，
+ E1 c  U0 W' s. C! m- E特别是MCU IP核技术的发展，出现了性能不同的嵌人式MCU
软核。MCS -51系列MCU是目前应用时间最长、最普及可获得
4 w( M. `( L4 F' [0 w/ T3 n: T应用资料最多的功能强大的8位MCU,建立8051MCU可综合
/ e; I3 T6 e! J5 n9 ^IP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用。针对8051
MCU的应用前景，出现了几个比较典型的8051 IP核,如
DW8051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
4 g5 P4 i- S$ R( ?1 }" ^4 H2 p3 i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。
* @) d) U+ X9 S( |! L+ D2.1 MC8051 功能特点叫
" Q7 K7 J# T  {! M2 Q4 N) }. J, m7 q采用完全同步设计;指令集和标准8051微控制器完全
/ x; S4 z. Z+ @0 \. [0 d& d# ]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
- Z1 T- h2 _: w( P" B% H4 v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
! ^. `" W: Y( x0 b8 ^DIV);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
4 F1 o4 L9 a9 \9 Y% }立;内部带256 Byte RAM; (1)最多可扩展至64 KB的ROM
和64KB的RAM;与工艺无关,可通过修改VHDL源代码扩
% @  L1 v* r' i* A7 q展及参数化设置。
2.2 MC8051 结构及设计层次
图1给出MC8051_ core 的顶层设计模块及其子模块,包
' F0 u7 f+ U5 ?8 j0 T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
  c& ?7 t- J' \用虚线表示。MC8051 IP 核与工业标准8051 单片机不同，
. \/ g' D5 d+ J" {( N3 f( \MC8051的输人、输出并口分别映射到独立的端口上。其顶层.
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
示内。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
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刘工在呢

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