樊 峰，陳西曲，葉艷艷

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著數(shù)字集成電路的應(yīng)用越來越廣泛，微電子技術(shù)以及EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)技術(shù)的快速發(fā)展，利用FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)來進行ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路)的設(shè)計也越來越流行;不僅僅如此，得益于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，可集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)可達到幾千萬個，從而使得微電子及其應(yīng)用領(lǐng)域又發(fā)生了一場革命性變革——SOC(System On Chip，片上系統(tǒng))技術(shù)的研究應(yīng)用和發(fā)展。SOC技術(shù)是以IP(Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán))核復(fù)用技術(shù)為支撐［1］，基于IP核的SOC設(shè)計具有易于增加新功能和縮短上市時間的顯著特點，是IC設(shè)計當(dāng)前，乃至以后的主流設(shè)計方式，因此開發(fā)研究可綜合的IP核對SOC技術(shù)的發(fā)展有著很重要的意義。

1 8051IP核整體系統(tǒng)構(gòu)建

基于VerilogHDL語言設(shè)計綜合的8051IP核，其指令集和標準的8051微控制器完全兼容［2］;同時兼容匯編程序和C語言程序，其指令執(zhí)行時間為1—4個時鐘周期，執(zhí)行性能卻大大優(yōu)于8051MCU;并且與標準的8051擁有基本相同的內(nèi)部機構(gòu)，都是由8-bit微處理器(CPU)、128字節(jié)的片上數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、4K字節(jié)的片上程序存儲器(ROM)、兩個16位的定時計數(shù)器、全雙工的通用異步接收發(fā)送器(UART)、兩個優(yōu)先級的5個中斷源、4個I/O口(P0、P1、P2、P3)這8 個主要模塊組成。

1.1 8051IP核的頂層結(jié)構(gòu)

自頂向下(Top—Down)的設(shè)計方法正是EDA技術(shù)相對傳統(tǒng)電子設(shè)計方法的優(yōu)勢所在，Top—Down設(shè)計方法的第一步就是要繪制頂層設(shè)計圖［3］。圖1所示為MC8051 IP核的頂層結(jié)構(gòu)圖，它顯示了MC8051 IP核的頂層結(jié)構(gòu)與三個存儲模塊的連接關(guān)系，以及輸入/輸出口。在MC8051 IP核的設(shè)計中，微處理模塊由運算器(ALU)模塊和控制器模塊組成，并且為了便于IC設(shè)計，MC8051 IP核的I/O口并沒有提供復(fù)用功能，包括4個8位輸入輸出口、串行接口、計數(shù)器輸入口和外部中斷輸入口。各I/O信號的描述如表1所示。

圖1 MC8051 IP核頂層結(jié)構(gòu)圖

表1 頂層信號名

1.2 MC8051 IP核內(nèi)部各模塊的構(gòu)建

mc8051 IP核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊主要是存儲模塊和控制模塊，存儲模塊包括RAM、RAMX和ROM，控制模塊包括處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，即頂層結(jié)構(gòu)中的mc8051_core模塊。

1.2.1 ROM和RAM模塊的生成

MC8051 IP中所需要的存儲模塊有RAM、外擴RAM、ROM，其中內(nèi)部RAM和ROM是必要的，內(nèi)部RAM固定為128 Bytes，ROM最大可選64 Kbytes，并且外部擴展RAM可選，最大可達64 Kbytes。

RAM和ROM的生成都是利用QuartusII軟件自帶的功能模塊，通過【Tools】＞＞【MegeWizard Plug-In Manager..】生成。首先新建一個QuartusII工程，進入功能模塊創(chuàng)建向?qū)?，通過功能模塊創(chuàng)建向?qū)ё罱K創(chuàng)建的RAM和ROM模塊如圖2所示。

圖2 RAM、ROM模塊電路圖

RAM和ROM的創(chuàng)建沒有太大的區(qū)別，ROM的創(chuàng)建過程中，需要對其進行初始化，可以添加測試代碼，而RAM不需要初始化。

1.2.2 mc8051_core模塊的創(chuàng)建

mc8051_core模塊包含了處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，是整個模塊的核心;模塊的封裝需要通過第三方的綜合軟件，如Synplify Pro軟件實現(xiàn);首先將前面創(chuàng)建的存儲器模塊添加到工程中;然后利用綜合軟件進行綜合生成 mc8051_top.vqm文件［4］，綜合編譯后通過RTL圖來檢查模塊之間連接情況，綜合后得到的RTL圖如圖3所示。

圖3 mc8051_core RTL圖

2 MC8051應(yīng)用測試模塊的創(chuàng)建

2.1 MC8051應(yīng)用系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建

首先打開QuartusII軟件，新建一個工程，將上面創(chuàng)建好的mc8051_top.vqm添加到工程中，打開創(chuàng)建的應(yīng)用設(shè)計頂層圖形設(shè)計文件mc8051_top.bsf，為了更好地進行板級測試，并為51核提供合適的時鐘，需要為系統(tǒng)添加一個PLL模塊，以便輸出合適時鐘頻率;添加PLL模塊和添加存儲器RAM一樣，通過【Tools】＞＞【MegeWizard Plug-In Manager..】生成，只需要設(shè)置好輸入時鐘和輸出時鐘即可;模塊添加完后根據(jù)開發(fā)板引腳連接設(shè)置模塊引腳分配，最后進行編譯;編譯成功后，得到應(yīng)用系統(tǒng)頂層原理圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頂層原理圖

2.2 MC8051應(yīng)用系統(tǒng)測試程序

MC8051 IP核完全兼容標準8051指令集，編程語言可以采用C語言，也可采用匯編語言，且可以采用熟悉的開發(fā)工具進行應(yīng)用程序的編寫。本系統(tǒng)采用C語言來編寫測試程序，且在Keil平臺下開發(fā)軟件。主要測試MC8051 IP核的串口、定時/計數(shù)器、中斷、I/O等模塊，將通過Keil軟件編譯后生成的.HEX文件加載到QuartusII工程文件目錄中，并將其初始化到8051IP核的ROM中，然后重新編譯工程生成的配置文件.sof，最后利用QuartusII的下載工具將配置文件下載到EP2C20實驗板中實現(xiàn)8051現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的測試。

2.2.1 外部中斷0的測試程序

void key_down()interrupt 0

{

EX0=0;//關(guān)閉外部中斷0，進行中斷處理

led＜＜=1;//led左移以為，實現(xiàn)下一個燈點亮

P1=led;//將led值賦值給P1口，P1口連接led燈

if(led==0x00)

{

led=0xff;

}

EX0=1;//打開外部中斷0，繼續(xù)接收外部中斷0的中斷請求

}

利用按鍵來產(chǎn)生外部中斷，P1口讀取led的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)按鍵控制流水燈的控制。

2.2.2 串口接收發(fā)送測試程序

char putchar(char ucWriteData)//串口發(fā)送程序

{

SBUF=ucWriteData;//將要發(fā)送的數(shù)據(jù)讀入SBUF寄存器

while(TI);

TI=0;//判斷數(shù)據(jù)是否讀完

return(ucWriteData);//發(fā)送數(shù)據(jù)

}

void UartIsr(void)interrupt 4//串口中斷

{

if(TI)//發(fā)送中斷

{

TI=0;

}

if(RI)//接收中斷

{

RI=0;

Rev=SBUF;

flag=1;

}

}

3 應(yīng)用測試結(jié)果與分析

將構(gòu)建好的測試系統(tǒng)初始化到IP核的ROM中，并對整個系統(tǒng)進行編譯調(diào)試，并下載到EP2C20F484N7開發(fā)板中，利用程序控制，當(dāng)有按鍵按下后，觸發(fā)外部中斷0，點亮第一個LED，再次按鍵，點亮第二個LED燈，從而實現(xiàn)流水燈操作。

串口通信測試結(jié)果如圖5所示，利用定時器1產(chǎn)生115200的波特率來實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，利用串口調(diào)試助手通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到開發(fā)板上，開發(fā)板接收數(shù)據(jù)后再次發(fā)回給PC機，從而實現(xiàn)8051IP核的串口通信控制。

圖5 串口通信控制圖

4 結(jié)束語

基于EP2C20F484N7的8051 IP核的測試結(jié)果可知，8051 IP核的串口、I/O口、定時器、中斷系統(tǒng)、運算單元、存儲器單元都能夠穩(wěn)定的運行。運用FPGA實現(xiàn)的8051IP核，在高時鐘頻率、穩(wěn)定程度、易于升級、易于擴展使用等諸多方面相對傳統(tǒng)的8051都有了很大的提高，從而大大提高以8051單片機為控制系統(tǒng)的各種應(yīng)用系統(tǒng)的性能參數(shù)。研究8051IP核不僅可以更好的擴展存儲模塊的大小，更能夠利用FPGA系統(tǒng)的豐富資源和IP核的復(fù)用技術(shù)，開發(fā)大規(guī)模的工程設(shè)計以及和其它模塊的集成融合，例如移植簡單的TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)一個完整的SOC功能。由此可知8051 IP核良好的復(fù)用性和可移植性在實際應(yīng)用中有重大的意義。

［1］ 史江義.基于IP核的SOC設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

［2］ 張毅剛，彭喜元，董繼成.單片機原理及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［3］ 劉小俊.基于EDA技術(shù)的兼容MCS-51單片機IP核的設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［4］ 李洪偉，袁斯華.基于 QuartusII的 FPGA/CPLD設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.