嵌入式DS80C320單片機軟核設計

1 引言
在如今的快速嵌入式系統設計中，目前比較流行的方案是在FPGA內集成應用軟件或是軟IP平臺，以簡(jiǎn)化工序、加速產(chǎn)品面市日程。為此，很多公司推出了自己的開(kāi)發(fā)平臺以及相關(guān)CPU的IP核，常見(jiàn)的為兩種：一種是通用型CPU，如xilinx和altera公司的32位以及64位通用CPU核；還有就是專(zhuān)用型的，常見(jiàn)的為51系列單片機的CPU核，但是目前關(guān)于單片機的軟核基本上都是8051的，其他的品種很少。而且8051的速度不是很快，在有些快速的控制場(chǎng)合（如利用單片機來(lái)作為usb2.0的控制部件）顯得速度不足，比較著(zhù)名的actel公司推出的Core8051，運行頻率也只在40 MHz左右。本文介紹了一個(gè)非常高速DS80C320單片機軟核的設計。
DS80C320單片機是DALLAS公司推出的一款基于51框架的高性能單片機。
它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
。具有與51系列完全一致的指令系統，能充分兼容所有基于51系列開(kāi)發(fā)的程序；
，具有比8051更加齊全的外設。相比8051單片機，DS80C320增加了定時(shí)器2以及一個(gè)增強型串口等；
＃具有比8051更好的效率；DS80C320的一個(gè)指令周期是4個(gè)CLK，8051則是12個(gè)，這個(gè)區別尤其是在處理簡(jiǎn)單指令的時(shí)候優(yōu)勢明顯，例如單周期指令的處理，DS80C320只需要4個(gè)CLK，而8051需要12個(gè)，據DALLAS公司的統計表明，在相同時(shí)鐘頻率下，DS80C320每條指令的執行速度是8051的1.5~3倍，對于典型的應用程序來(lái)說(shuō)，執行速度也是8051的2.5倍左右。
ぃ其讀取指令的方式比8051更加適合IP核的特點(diǎn)；將單片機內部ROM去掉，完全從外部讀取指令，這種特點(diǎn)作為軟核是很適合的，首先是結構簡(jiǎn)單，有利于指令讀取的流水設計，其次可以突破內部ROM大小的限制，最后，作為FPGA設計的特點(diǎn)，即使8051的設計，內部ROM塊也是放在FPGA芯片的ROM資源里面，與其這樣，還不如直接放到外面更加簡(jiǎn)化時(shí)序與結構；
2 總體結構劃分
如圖所示為DS80C320軟核的總體功能圖：

本IP核的設計主要按照指令執行的流程來(lái)安排功能塊，并通過(guò)數據總線(xiàn)來(lái)傳遞數據；虛線(xiàn)里面的為CPU核心；首先是ROM模塊，DS80C320并沒(méi)有內部ROM，所以該模塊功能主要是分析從P端口讀取過(guò)來(lái)的指令，并通過(guò)查找指令的長(cháng)度以及周期數目，從而計算出相關(guān)控制信號發(fā)送給CPU控制模塊以便控制指令的讀??；同時(shí)，如果指令為L(cháng)CALL或者ACALL，則可以分析出子程序入口地址并報送PC模塊，引導PC正確跳轉；在ROM模塊分析指令的同時(shí)，譯碼器DECODER也在進(jìn)行譯碼的動(dòng)作，它將根據指令的8位數據分析出三個(gè)重要的參數：ALU的動(dòng)作類(lèi)型，該指令的操作數據來(lái)源以及讀取方式，該指令結果的存放位置以及存放方式；第一個(gè)參數送給ALU模塊，其余兩個(gè)送到CPU控制模塊；CPU控制模塊CPU_CON是整個(gè)CPU的核心部分，主要完成兩個(gè)作用：ALU執行前的讀取數據控制，以及ALU執行完成之后回寫(xiě)數據控制；該模塊同時(shí)也控制著(zhù)整個(gè)CPU的時(shí)序，監視其他模塊的執行情況；ALU則主要是完成計算工作；INTER模塊則是中斷系統的控制模塊，其功能主要完成對各個(gè)中斷源所提交的中斷請求的有效判斷以及排序，產(chǎn)生中斷標志并且將判斷結果以及中斷入口地址編碼提交給ROM模塊，以指示程序跳轉，同時(shí)還需要負責在中斷完成之后清除中斷標志以及恢復中斷之前的中斷等級； DS80C320有三個(gè)定時(shí)器和2個(gè)串行口，其中定時(shí)器2和串行口如果不需要的話(huà)可以裁減；至于其他的模塊或者寄存器則在CPU控制模塊的控制下通過(guò)數據總線(xiàn)交換數據；

可見(jiàn)，本設計的思路是以CPU_CON控制整個(gè)CPU的執行以及時(shí)序，以INTER控制整個(gè)中斷系統，其他寄存器則以數據總線(xiàn)來(lái)完成數據的交換，均勻的分布在數據總線(xiàn)的兩側，結構清晰簡(jiǎn)單，規則化的設計也有利于提高速度，以及方便裁減。
3 一些設計特點(diǎn)