基于EDA技術(shù)的單片機IP核設計

5.讀內部RAM和SFR，包括讀“字節”和讀“位”。此進(jìn)程為一純組合邏輯電路。RAM和SFR任何單元的內容的改變均可以啟動(dòng)該進(jìn)程，同時(shí)地址信號也是進(jìn)程的敏感信號之一。每一次讀的過(guò)程會(huì )讀到兩個(gè)值，一個(gè)是“字節”數據，一個(gè)是“位”數據，至于狀態(tài)機在指令的執行過(guò)程中會(huì )使用“字節”數據還是“位”數據，由狀態(tài)機根據當前指令自己決定。

6.根據狀態(tài)機發(fā)出的各種多路選擇器的值，輸出相應的地址和數據的值。多路選擇器的作用是根據狀態(tài)機的指示，即時(shí)的輸出內部RAM的地址、內部RAM數據（包括“位”數據和“字節”數據）、外部RAM的地址等。

7.計算下一個(gè)指令指針的值。它根據狀態(tài)機的指示，實(shí)現對程序計數器值的改寫(xiě)。

control_fsm模塊的作用則很單一，就是實(shí)現指令系統。不過(guò)需要說(shuō)明的是，這個(gè)狀態(tài)機在接收到來(lái)自control_mem模塊的有關(guān)中斷源有變化的信號時(shí)，它會(huì )優(yōu)先發(fā)出控制指令，指示control_mem模塊改變指令指針的值，進(jìn)入中斷。沒(méi)有中斷發(fā)生的時(shí)候，它就會(huì )根據程序存儲器的指令來(lái)運作。關(guān)于指令狀態(tài)機的設計細節讀者可以參閱參考文獻【4】。

3.5.外圍存儲器模塊的實(shí)現

由于對存儲器容量在不同的場(chǎng)合有不同的要求，且實(shí)現的方式多種多樣，故本設計才把整個(gè)設計分為MCS-51內核和存儲器兩個(gè)大的部分。這樣做一方面可以方便裁減，使IP核可以在更多的可編程器件上綜合；另外實(shí)現起來(lái)也相對容易。

MAX+ plusⅡ中為了增加原件庫的靈活性，為一些常用的功能模塊提供了參數化的元件，這些元件的規模以及具體功能可以由用戶(hù)直接指定，如同可編程元件。這一類(lèi)元件就是MAX+ plusⅡ中的LPM，即――可調參數元件。利用LPM所提供的RAM、ROM例化設計文件，設計實(shí)現了128字節內部RAM和4k ROM模塊，其中ROM模塊是一個(gè)空結構實(shí)體，在有內部程序時(shí)換成相應的結構。內部程序必須以ASCII碼形式或十六進(jìn)制形式的文件寫(xiě)入，表明每個(gè)地址的初始值，用于設計的仿真和綜合。

4.功能仿真

下面通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的指令，來(lái)對所設計的IP核進(jìn)行軟件仿真。幾條仿真的指令助記符和指令的操作碼、操作數、字節數、周期數如下表1所示。仿真的結果如圖5所示。圖中rom_data_i表示的程序存儲器中的數據；rom_adr_o是程序計數器PC的值；state_i為芯片內部信號，指示的是指令執行的狀態(tài)，“7”表示在取指令狀態(tài)，其他值為執行狀態(tài)。acc_o是內部寄存器ACC的值。從圖中可以清楚的看到各信號的變化。

表1 仿真指令表

圖4 8051－Core軟件仿真圖

5 結束語(yǔ)

嵌入式微處理器具有廣泛的應用前景，特別是隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，信息安全性和可靠性正逐步受到人們的重視。在FPGA的可用門(mén)和性能對高檔功能的支持中，IP核的價(jià)值正在充分展現。IP核已成為有效地進(jìn)行大規模設計和縮短設計時(shí)間的基礎。因此，積極開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的IP模塊，在SoC領(lǐng)域占有一席之地，即符合我國國情，有具有重要意義。本課題設計出的MSC－51系列單片機IP核不僅通過(guò)了軟件仿真，而且其功能已經(jīng)通過(guò)了硬件測試，所以其不僅是一個(gè)成熟的軟IP核，也是一個(gè)成熟的硬IP核。

本項目經(jīng)濟效益：本IP核主要應用于SoC中，向相關(guān)有償機構購買(mǎi)類(lèi)似IP核一次的使用價(jià)格在3美元左右，但是附帶開(kāi)發(fā)工具在300美元左右，本IP核完全利用免費版本的MAX+plusⅡ進(jìn)行設計以及后期使用，因此若本IP核應用3000次，那么項目的經(jīng)濟效益在8萬(wàn)元左右。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本次要設計的兼容MCS－51單片機IP核有以下特色：1.完全同步的設計，系統在統一的時(shí)鐘下工作。2.指令集與工業(yè)標準的MCS-51系列單片機完全兼容。3.指令周期較原MCS-51系列大幅提高，所有指令都可在1到4個(gè)時(shí)鐘周期內完成，時(shí)鐘周期只與所選用的FPGA/CPLD芯片的延時(shí)有關(guān)，而與設計無(wú)關(guān)。4.沒(méi)有復用的I/O口。5.IP核升級方便，對于不需要的部件可以任意裁減。