MC8051单片机IP核的FPGA实现与应用

1 引言
    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，采用微控制器和可编程逻辑器件设计单片机嵌入式系统。随着现场可编程逻辑阵列(FPGA)及EDA技术的发展，百万门级的FPGA、可重构的嵌入式MCU核、功能复杂的IP核及各种功能强大的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FPCA中的应用，特别是MCU IP核技术的发展。出现了性能不同的嵌入式MCU软核。MCS-51系列MCU是目前应用时间最长、最普及、可获得应用资料最多的功能强大的8位MCU，建立805l MCU可综合IP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用。针对8051MCU的应用前景，出现了几个比较典型的805l IP核，如DW8051核．OpenCore组织的0C8051核及T51核，MC805l核等。这些IP核都是采用HDL语言描述的软MCU内核，其与工艺无关，能够在多种FPGA上进行逻辑综合及实现。这里采用免费的MC805lIP核，通过对MC8051结构原理的分析，详细论述其在FPCA中的实现及应用。

2 MC8051 IP核基本结构及原理
    MC8051是与MCS一5l系列微处理器指令集完全兼容的8位嵌入式微处理器，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。
2．1 MC8051功能特点
    采用完全同步设计：指令集和标准8051微控制器完全兼容；指令执行时间为l～4个时钟周期，执行性能优于标准805l微控制器8倍左右；用户可选择定时／计数器、串行接口单元的数量，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DIV)；可选择是否使用十进制调整功能(十进制调整指令DA)；I/0口不复用，无双向数据I／O端口，输入、输出端口独立；内部带256Byte RAM；⑾最多可扩展至64 KB的ROM和64 KB的RAM；与工艺无关，可通过修改VHDL源代码扩
展及参数化设置。
2．2 MC8051结构及设计层次
    图1给出MC805l_eore的顶层设计模块及其子模块，包括顶层的各个信号端口及3个存储器模块。同时给出了顶层的输入输出I／O口。定时/计数器和串行接口单元，对应于图中的MC805l_tmrctr和MC8051_siu模块，数量可选择，图中用虚线表示。MC8051 IP核与工业标准8051单片机不同，MC8051的输入、输出并口分别映射到独立的端口上。其顶层各I／O信号的描述如表l所示。

    MC805lIP核的设计层次及对应的VHDL文件如图2所示嘲。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，处于设计的顶层，方便于不同的应用设计及仿真。

    图2中，最顶层是用户的实际应用设计模块，它将ROM、RAM及mc8051_core封装在内部。实际应用中用户可添加自定义附加逻辑模块，与设计层次中的RAM、ROM模块处于同一个层次。
2．3 MC8051硬件模块
    单片机作为一个大型设计，其内核由定时器时钟管理单元、ALU算数逻辑单元、串口及控制单元、存储单元RAM及ROM等模块组成。
2．3．1 时钟管理单元
    MC8051内核采用完全同步的时钟设计。只有一个时钟信号控制每个存储单元的输入。没有使用门时钟，时钟没有输入到任何组合逻辑单元。中断输入线使用两级同步(锁存2次)与全局时钟同步。可以达到完全同步，即使用其他时钟的外部电路在驱动。并行I／0端口没有采用这种同步方式。
2．3．2 定时器、串口和中断
    标准8051微控制器只提供两个定时／计数器单元、一个串口单元及两个外部中断源。而在MC805l IP核中，这些单元最多可增加到256组，只需修改VHDL源代码增加兼容的单元数。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，其范围是1~256。相关的VHDL代码如图3所示。

    这里C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT3个常量参数不能独立修改数值，只能同时增减。C_IMPL_N_TMR加l意味着对应的添加了2个定时/计数器、一个串口单元和2个外部中断源。为了能寻址所生成的单元而不改变微控制器的地址空间，在微控制器的特殊功能寄存器(SFR)内存空间增加了2个8位寄存器作为附加功能寄存器：分别是TSEL(定时／计数器选择寄存器，地址为Ox8E)和SSEL(串口选择寄存器，地址为Ox9A)。如果以上的寄存器指向不存在的器件单元，将使用默认的l单元，如果没有对这两个寄存器赋值，其缺省值为1。如果在中断发生期间设备(寄存器)没被选中(比如TSEL)，那么相应的中断标志位将保持置位，直到执行中断服务程序。
2．3．3 存储器接口单元
    由于采用优化结构设计，存储器采用同步结构，限制输入、输出的时序，因而存储器输入、输出数据没用寄存器寄存。
2．3．4 可选择指令
    在某些场合，有些指令是用不到的，因此，通过禁用这些指令节省片上资源。这些指令有8位乘法器(MUL)、8位除法器(DIV)和8位十进制调整器(DA)。禁用时只需要在VHDL源程序文件mc8051_p．vh中将C_IMPL_MUL(乘法指令MUL)、C_IMPL_DIV(除法指令DIV)或C_IMPL_DA(十进制调整指令DA)的常量值设置为0即可。如果这3条可选指令没有被执行，器件可节省约10％的资源。相应的VHDL程序代码段如图4所示。

2．3．5 并行I／O端口
    为了便于IC设计，MC805l IP核的I／0口不提供复用功能，包括4个8位输入输出口、串行接口、计数器输入端和扩展存储器接口。如果要想将。MC8051 IP核的并行I／O端口改为双向I／0端口，设计时可以添加一些外围逻辑电路来实现。其基本电路结构如图5所示。图中的2个D触发器起同步输入信号的作用(mc805l_core的输入I／O不做同步处理)，也可以不用。上拉电阻是必要的，因为I／0端口输出高电平是靠上拉电阻实现的。

2．4 MC8051其他说明
    (1)MC8051 IP核的定时器和串口波特率的计算与标准8051一样，由系统时钟经12倍分频获得计数时钟。
    (2)外部中断信号是经两级寄存器做同步处理后输入的。
    (3)MC805l_core的输入I／0不做同步处理，必要时可自行添加，如图5所示。
    (4)写应用程序时，I／O端口如果没有做成双向端口，而是输入和输出分开的，应特别注意诸如Pl=一P1、P1^O=P1^0这样的I／0取反操作是无效的，因为读回的值不是I／O寄存器的值，而是输入引脚的状态。

3 MC8051的RTL封装
    利用综合工具Synplify Pro软件实现对MC8051核的RTL封装，从而生成最终所需的MC8051 IP核(．vqm文件)。
3．1 MC8051存储模块生成
    MC8051中所需的存储模块：内部RAM、扩展RAM和ROM。其中内部RAM和ROM是必要的，内部RAM固定为128字节，ROM最大可选64 K字节，鉴于FPGA片上RAM资源有限，这里选用4 K字节(可根据需要修改)；扩展RAM是可选，最大也可以达到64 K字节，这里选用2 K字节。
    由于采用Altera公司的FPGA来实现，所以可以利用Al—tera公司的集成开发环境Quartus II来创建ROM、RAM模块。在具体的FPGA实现中，可根据不同厂家的器件，用厂家提供的工具来生成ROM和RAM，或者采用HDL描述实现。
3．2 MC8051 IP核RTL封装
    由于用的MC8051 IP核源代码顶层设计文件中的存储模块(RAM、ROM)是仿真时使用的，实际应用设计时，必须改成实际应用中用到的RAM、ROM模块(也就是前面生成的RAM、ROM模块)。
    (1)打开源代码中的mc805l_p．vhd程序包文件，将原文件中的RAM(包括内部RAM、扩展RAM)、ROM元件例化语句全部替换成实际应用设计的程序代码；
    (2)打开源代码中的mc805l_top_stru．vhd文件，将原文件中的RAM(包括内部RAM、扩展RAM)ROM元件端口映射语句全部修改成应用设计的端口映射。因为实际应用中RAM、ROM的容量与MC8051核中存储器容量不一致及控制信号的差异，需要修改实际应用中RAM、ROM的地址线及控制信号线的端口映射。
    (3)新建Synplify Pro工程，将修改后的MC8051 IP核的VHDL文件添加到工程中。选择综合的目标FPGA器件，设置相关综合参数，生成MC8051 IP核的RTL封装文件．vqm，其综合后的RTL图如图6所示。

    (4)因为VHDL文件编译是有顺序的，所以在向SynplifyPro工程添加VHDL源代码文件时，应注意的是：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。注意文件名后为_cfg．vhd的配置文件可以不添加到工程中，前面生成的RAM、ROM源代码文件也不必添加到工程里面。
    (5)综合编译成功后，需要检查顶层设计是否正确，这时可通过RTL图来检查。在RTL图中可看到MC8051 IP核的顶层结构图。在RTL图中主要检查ROM、RAM模块的连线是否正确，是否符合实际应用设计。

4 MC8051 IP核应用构建
    采用Ahera公司的FPGA实现，可以利用Ahera公司的集成开发环境0uartus II构建实际应用系统。
4．1 MC8051硬件系统构建
    在QuartusⅡ中新建应用工程，创建顶层图形设计文件并保存。
    (1)将MC8051 IP核进行RTL封装时用Quartus II创建的RAM、ROM模块文件添加到工程中；
    (2)在工程中调用FPGA自带的PLL数字锁相环模块，将目标系统板上的时钟调整到MC805l IP核的应用时钟频率。MC805l IP核经Quartus II综合编译后，查看时序分析报告，其最高运行频率为18．96 MHz(每次编译都可能不同，I／0分配不同结果可能不同)，因此系统时钟不能超过时序报告的时钟最高频率(即fmax)。可以选择18 MHz，利用PLL对目标系统板上的时钟进行分频；
    (3)将Synplifyr Pro综合生成的RTL封装文件．vqm拷贝到Quartus II工程文件目录下，并添加到工程中。然后再将添加．vqm文件生成MC8051_top．bsf图形文件；
    (4)打开创建的应用设计顶层图形设计文件，将前面生成的PLL模块、MC8051_top模块添加到顶层设计文件中。添加输入/输出引脚，并对引脚命名，连接引脚与各模块．设置相关编译参数。生成FPGA的配置文件*．sof。其实际应用系统顶层原理图如图7所示。

    可将并行I／O端口设计成双向I／O端口，以节约FPGA的引脚资源，其方法参见图5。根据实际应用的需要，利用FPGA剩余的资源，添加其他逻辑模块，与MC8051 core模块、PLL模块一起构成应用系统。这里只讨论MC8051 IP核的FPGA实现。
4．2 MC8051应用程序创建
    在MC8051应用系统建立后，根据具体应用编写应用程序。可以是C语言程序，也可以是汇编语言程序。MC8051的应用程序与标准的8051应用程序完全兼容，可以采用熟悉的开发工具进行应用程序的编写。在编写完成、仿真调试通过后，利用编译工具编译生成．hex文件，供固化ROM使用。
4．3 MC8051实际应用系统实现
    将生成的．hex应用程序文件拷贝到Quartus II工程文件目录下，替代原创建ROM存储器模块时使用的初始化．hex文件。然后重新编译Quarius II工程生成FPGA的配置文件．sof，将应用程序代码嵌入(同化)到ROM中。最后利用Quartus II的Programmer将FPGA的配置文件．sof下载到FPGA或EPCS中，实现MC8051的实际应用系统。

5 结语
    本文在分析了MC805lIP Core的结构原理，设计层次，内核各组成模块及参数设置的基础上，详细论述了MC8051 IP核的FPGA实现与应用的实际设计步骤。试验验证，根据需求修改后的MC8051 IP核，能很好满足对8051MCU的应用需求，而且其性能比标准8051 MCU高，系统集成度也比采用标准8051 MCU构成的应用系统高。因此，MC8051 IP核在基于可编程逻辑和MCU的应用领域中具有广泛的应用前景。