MC8051單片機(jī)IP核的FPGA實現(xiàn)與應(yīng)用

1 引言
    長期以來，單片機(jī)以其性價比高、體積小、功能靈活等方面的獨(dú)特優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但受其內(nèi)部資源的限制，單片機(jī)需要在片外擴(kuò)展相關(guān)資源。為了達(dá)到處理速度和控制靈活性方面的需求，采用微控制器和可編程邏輯器件設(shè)計單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)及EDA技術(shù)的發(fā)展，百萬門級的FPGA、可重構(gòu)的嵌入式MCU核、功能復(fù)雜的IP核及各種功能強(qiáng)大的EDA工具的出現(xiàn)，實現(xiàn)將MCU、存儲器和一些外圍電路集成到一個芯片成為可能。隨著IP核技術(shù)在FPCA中的應(yīng)用，特別是MCU IP核技術(shù)的發(fā)展。出現(xiàn)了性能不同的嵌入式MCU軟核。MCS-51系列MCU是目前應(yīng)用時間最長、最普及、可獲得應(yīng)用資料最多的功能強(qiáng)大的8位MCU，建立805l MCU可綜合IP核對于各種嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)(SOC)的應(yīng)用。針對8051MCU的應(yīng)用前景，出現(xiàn)了幾個比較典型的805l IP核，如DW8051核．OpenCore組織的0C8051核及T51核，MC805l核等。這些IP核都是采用HDL語言描述的軟MCU內(nèi)核，其與工藝無關(guān)，能夠在多種FPGA上進(jìn)行邏輯綜合及實現(xiàn)。這里采用免費(fèi)的MC805lIP核，通過對MC8051結(jié)構(gòu)原理的分析，詳細(xì)論述其在FPCA中的實現(xiàn)及應(yīng)用。

2 MC8051 IP核基本結(jié)構(gòu)及原理
    MC8051是與MCS一5l系列微處理器指令集完全兼容的8位嵌入式微處理器，通過芯核重用技術(shù)，可廣泛應(yīng)用在一些面積要求比較苛刻，而對速度要求不是很高的片上系統(tǒng)中。
2．1 MC8051功能特點
    采用完全同步設(shè)計：指令集和標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器完全兼容；指令執(zhí)行時間為l～4個時鐘周期，執(zhí)行性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)805l微控制器8倍左右；用戶可選擇定時／計數(shù)器、串行接口單元的數(shù)量，最多可增加到256組；新增特殊功能寄存器用于選擇不同的定時／計數(shù)器、串行接口單元；可選擇是否使用乘法器(乘法指令MUL)；可選擇是否使用除法器(除法指令DIV)；可選擇是否使用十進(jìn)制調(diào)整功能(十進(jìn)制調(diào)整指令DA)；I/0口不復(fù)用，無雙向數(shù)據(jù)I／O端口，輸入、輸出端口獨(dú)立；內(nèi)部帶256Byte RAM；⑾最多可擴(kuò)展至64 KB的ROM和64 KB的RAM；與工藝無關(guān)，可通過修改VHDL源代碼擴(kuò)
展及參數(shù)化設(shè)置。
2．2 MC8051結(jié)構(gòu)及設(shè)計層次
    圖1給出MC805l_eore的頂層設(shè)計模塊及其子模塊，包括頂層的各個信號端口及3個存儲器模塊。同時給出了頂層的輸入輸出I／O口。定時/計數(shù)器和串行接口單元，對應(yīng)于圖中的MC805l_tmrctr和MC8051_siu模塊，數(shù)量可選擇，圖中用虛線表示。MC8051 IP核與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)不同，MC8051的輸入、輸出并口分別映射到獨(dú)立的端口上。其頂層各I／O信號的描述如表l所示。

    MC805lIP核的設(shè)計層次及對應(yīng)的VHDL文件如圖2所示嘲。它由定時／計數(shù)器、ALU算數(shù)邏輯單元、串行接口單元和控制單元組成。RAM及ROM模塊不包括在IP核內(nèi)，處于設(shè)計的頂層，方便于不同的應(yīng)用設(shè)計及仿真。

    圖2中，最頂層是用戶的實際應(yīng)用設(shè)計模塊，它將ROM、RAM及mc8051_core封裝在內(nèi)部。實際應(yīng)用中用戶可添加自定義附加邏輯模塊，與設(shè)計層次中的RAM、ROM模塊處于同一個層次。
2．3 MC8051硬件模塊
    單片機(jī)作為一個大型設(shè)計，其內(nèi)核由定時器時鐘管理單元、ALU算數(shù)邏輯單元、串口及控制單元、存儲單元RAM及ROM等模塊組成。
2．3．1 時鐘管理單元
    MC8051內(nèi)核采用完全同步的時鐘設(shè)計。只有一個時鐘信號控制每個存儲單元的輸入。沒有使用門時鐘，時鐘沒有輸入到任何組合邏輯單元。中斷輸入線使用兩級同步(鎖存2次)與全局時鐘同步。可以達(dá)到完全同步，即使用其他時鐘的外部電路在驅(qū)動。并行I／0端口沒有采用這種同步方式。
2．3．2 定時器、串口和中斷
    標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器只提供兩個定時／計數(shù)器單元、一個串口單元及兩個外部中斷源。而在MC805l IP核中，這些單元最多可增加到256組，只需修改VHDL源代碼增加兼容的單元數(shù)。在VHDL源程序文件mc8051_p．vhd中，更改C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT的常量值就可以，其范圍是1~256。相關(guān)的VHDL代碼如圖3所示。

    這里C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT3個常量參數(shù)不能獨(dú)立修改數(shù)值，只能同時增減。C_IMPL_N_TMR加l意味著對應(yīng)的添加了2個定時/計數(shù)器、一個串口單元和2個外部中斷源。為了能尋址所生成的單元而不改變微控制器的地址空間，在微控制器的特殊功能寄存器(SFR)內(nèi)存空間增加了2個8位寄存器作為附加功能寄存器：分別是TSEL(定時／計數(shù)器選擇寄存器，地址為Ox8E)和SSEL(串口選擇寄存器，地址為Ox9A)。如果以上的寄存器指向不存在的器件單元，將使用默認(rèn)的l單元，如果沒有對這兩個寄存器賦值，其缺省值為1。如果在中斷發(fā)生期間設(shè)備(寄存器)沒被選中(比如TSEL)，那么相應(yīng)的中斷標(biāo)志位將保持置位，直到執(zhí)行中斷服務(wù)程序。
2．3．3 存儲器接口單元
    由于采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，存儲器采用同步結(jié)構(gòu)，限制輸入、輸出的時序，因而存儲器輸入、輸出數(shù)據(jù)沒用寄存器寄存。
2．3．4 可選擇指令
    在某些場合，有些指令是用不到的，因此，通過禁用這些指令節(jié)省片上資源。這些指令有8位乘法器(MUL)、8位除法器(DIV)和8位十進(jìn)制調(diào)整器(DA)。禁用時只需要在VHDL源程序文件mc8051_p．vh中將C_IMPL_MUL(乘法指令MUL)、C_IMPL_DIV(除法指令DIV)或C_IMPL_DA(十進(jìn)制調(diào)整指令DA)的常量值設(shè)置為0即可。如果這3條可選指令沒有被執(zhí)行，器件可節(jié)省約10％的資源。相應(yīng)的VHDL程序代碼段如圖4所示。

2．3．5 并行I／O端口
    為了便于IC設(shè)計，MC805l IP核的I／0口不提供復(fù)用功能，包括4個8位輸入輸出口、串行接口、計數(shù)器輸入端和擴(kuò)展存儲器接口。如果要想將。MC8051 IP核的并行I／O端口改為雙向I／0端口，設(shè)計時可以添加一些外圍邏輯電路來實現(xiàn)。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中的2個D觸發(fā)器起同步輸入信號的作用(mc805l_core的輸入I／O不做同步處理)，也可以不用。上拉電阻是必要的，因為I／0端口輸出高電平是靠上拉電阻實現(xiàn)的。

2．4 MC8051其他說明
    (1)MC8051 IP核的定時器和串口波特率的計算與標(biāo)準(zhǔn)8051一樣，由系統(tǒng)時鐘經(jīng)12倍分頻獲得計數(shù)時鐘。
    (2)外部中斷信號是經(jīng)兩級寄存器做同步處理后輸入的。
    (3)MC805l_core的輸入I／0不做同步處理，必要時可自行添加，如圖5所示。
    (4)寫應(yīng)用程序時，I／O端口如果沒有做成雙向端口，而是輸入和輸出分開的，應(yīng)特別注意諸如Pl=一P1、P1^O=P1^0這樣的I／0取反操作是無效的，因為讀回的值不是I／O寄存器的值，而是輸入引腳的狀態(tài)。

3 MC8051的RTL封裝
    利用綜合工具Synplify Pro軟件實現(xiàn)對MC8051核的RTL封裝，從而生成最終所需的MC8051 IP核(．vqm文件)。
3．1 MC8051存儲模塊生成
    MC8051中所需的存儲模塊：內(nèi)部RAM、擴(kuò)展RAM和ROM。其中內(nèi)部RAM和ROM是必要的，內(nèi)部RAM固定為128字節(jié)，ROM最大可選64 K字節(jié)，鑒于FPGA片上RAM資源有限，這里選用4 K字節(jié)(可根據(jù)需要修改)；擴(kuò)展RAM是可選，最大也可以達(dá)到64 K字節(jié)，這里選用2 K字節(jié)。
    由于采用Altera公司的FPGA來實現(xiàn)，所以可以利用Al—tera公司的集成開發(fā)環(huán)境Quartus II來創(chuàng)建ROM、RAM模塊。在具體的FPGA實現(xiàn)中，可根據(jù)不同廠家的器件，用廠家提供的工具來生成ROM和RAM，或者采用HDL描述實現(xiàn)。
3．2 MC8051 IP核RTL封裝
    由于用的MC8051 IP核源代碼頂層設(shè)計文件中的存儲模塊(RAM、ROM)是仿真時使用的，實際應(yīng)用設(shè)計時，必須改成實際應(yīng)用中用到的RAM、ROM模塊(也就是前面生成的RAM、ROM模塊)。
    (1)打開源代碼中的mc805l_p．vhd程序包文件，將原文件中的RAM(包括內(nèi)部RAM、擴(kuò)展RAM)、ROM元件例化語句全部替換成實際應(yīng)用設(shè)計的程序代碼；
    (2)打開源代碼中的mc805l_top_stru．vhd文件，將原文件中的RAM(包括內(nèi)部RAM、擴(kuò)展RAM)ROM元件端口映射語句全部修改成應(yīng)用設(shè)計的端口映射。因為實際應(yīng)用中RAM、ROM的容量與MC8051核中存儲器容量不一致及控制信號的差異，需要修改實際應(yīng)用中RAM、ROM的地址線及控制信號線的端口映射。
    (3)新建Synplify Pro工程，將修改后的MC8051 IP核的VHDL文件添加到工程中。選擇綜合的目標(biāo)FPGA器件，設(shè)置相關(guān)綜合參數(shù)，生成MC8051 IP核的RTL封裝文件．vqm，其綜合后的RTL圖如圖6所示。

    (4)因為VHDL文件編譯是有順序的，所以在向SynplifyPro工程添加VHDL源代碼文件時，應(yīng)注意的是：首先添加MC805l_p．vhd文件，然后添加其他文件，最后添加mc805l_top_．vhd和mc8051_top_strut．vhd文件。注意文件名后為_cfg．vhd的配置文件可以不添加到工程中，前面生成的RAM、ROM源代碼文件也不必添加到工程里面。
    (5)綜合編譯成功后，需要檢查頂層設(shè)計是否正確，這時可通過RTL圖來檢查。在RTL圖中可看到MC8051 IP核的頂層結(jié)構(gòu)圖。在RTL圖中主要檢查ROM、RAM模塊的連線是否正確，是否符合實際應(yīng)用設(shè)計。

4 MC8051 IP核應(yīng)用構(gòu)建
    采用Ahera公司的FPGA實現(xiàn)，可以利用Ahera公司的集成開發(fā)環(huán)境0uartus II構(gòu)建實際應(yīng)用系統(tǒng)。
4．1 MC8051硬件系統(tǒng)構(gòu)建
    在QuartusⅡ中新建應(yīng)用工程，創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計文件并保存。
    (1)將MC8051 IP核進(jìn)行RTL封裝時用Quartus II創(chuàng)建的RAM、ROM模塊文件添加到工程中；
    (2)在工程中調(diào)用FPGA自帶的PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊，將目標(biāo)系統(tǒng)板上的時鐘調(diào)整到MC805l IP核的應(yīng)用時鐘頻率。MC805l IP核經(jīng)Quartus II綜合編譯后，查看時序分析報告，其最高運(yùn)行頻率為18．96 MHz(每次編譯都可能不同，I／0分配不同結(jié)果可能不同)，因此系統(tǒng)時鐘不能超過時序報告的時鐘最高頻率(即fmax)?？梢赃x擇18 MHz，利用PLL對目標(biāo)系統(tǒng)板上的時鐘進(jìn)行分頻；
    (3)將Synplifyr Pro綜合生成的RTL封裝文件．vqm拷貝到Quartus II工程文件目錄下，并添加到工程中。然后再將添加．vqm文件生成MC8051_top．bsf圖形文件；
    (4)打開創(chuàng)建的應(yīng)用設(shè)計頂層圖形設(shè)計文件，將前面生成的PLL模塊、MC8051_top模塊添加到頂層設(shè)計文件中。添加輸入/輸出引腳，并對引腳命名，連接引腳與各模塊．設(shè)置相關(guān)編譯參數(shù)。生成FPGA的配置文件*．sof。其實際應(yīng)用系統(tǒng)頂層原理圖如圖7所示。

    可將并行I／O端口設(shè)計成雙向I／O端口，以節(jié)約FPGA的引腳資源，其方法參見圖5。根據(jù)實際應(yīng)用的需要，利用FPGA剩余的資源，添加其他邏輯模塊，與MC8051 core模塊、PLL模塊一起構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。這里只討論MC8051 IP核的FPGA實現(xiàn)。
4．2 MC8051應(yīng)用程序創(chuàng)建
    在MC8051應(yīng)用系統(tǒng)建立后，根據(jù)具體應(yīng)用編寫應(yīng)用程序?？梢允荂語言程序，也可以是匯編語言程序。MC8051的應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)的8051應(yīng)用程序完全兼容，可以采用熟悉的開發(fā)工具進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。在編寫完成、仿真調(diào)試通過后，利用編譯工具編譯生成．hex文件，供固化ROM使用。
4．3 MC8051實際應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)
    將生成的．hex應(yīng)用程序文件拷貝到Quartus II工程文件目錄下，替代原創(chuàng)建ROM存儲器模塊時使用的初始化．hex文件。然后重新編譯Quarius II工程生成FPGA的配置文件．sof，將應(yīng)用程序代碼嵌入(同化)到ROM中。最后利用Quartus II的Programmer將FPGA的配置文件．sof下載到FPGA或EPCS中，實現(xiàn)MC8051的實際應(yīng)用系統(tǒng)。

5 結(jié)語
    本文在分析了MC805lIP Core的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計層次，內(nèi)核各組成模塊及參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了MC8051 IP核的FPGA實現(xiàn)與應(yīng)用的實際設(shè)計步驟。試驗驗證，根據(jù)需求修改后的MC8051 IP核，能很好滿足對8051MCU的應(yīng)用需求，而且其性能比標(biāo)準(zhǔn)8051 MCU高，系統(tǒng)集成度也比采用標(biāo)準(zhǔn)8051 MCU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)高。因此，MC8051 IP核在基于可編程邏輯和MCU的應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。