基于EDA技术的MCS-51IP核设计及其研究扩展

河北经贸大学经济管理学院毕业论文基于EDA技术的MCS-51IP核设计及其研究扩展专业名称：电子信息工程班级：C电子08-1班学生姓名：窦建杰指导教师：王琳丽完成时间：2012年5月河北经贸大学经济管理学院毕业论文I摘要伴随着微电子技术的进步，集成电路设计正在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展，电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为重要的电子设计方法，己广泛应用于模拟与数字电路系统设计等许多领域。本论文主要进行了基于EDA技术的MCS一51IP核设计及其扩展研究，应用EDA技术设计实现基于MCS一51的单片机IP核，在此基础之上，提出了一种基于MCS-51的可扩展多功能单片机IP核。主要包含下列内容：首先介绍了EDA技术的概念、特点、应用形式及其设计方法，对设计所用的语言、实现载体、设计工具进行了展开。其次，采用VHDL语言，设计实现了MCS一51单片机IP软核。同时，以Altera公司FPGA为载体，验证了各部分功能。在设计中，对MCS-51做了部分功能的改进和优化。最后，本文针对FPGA的可重构性及IP软核的可修改性，提出对MCS-51单片机IP核迸行扩展，实现可扩展多功能单片机IP核的设想，即根据系统功能与需求增减MCS一51软核指令集和外围设备，以实现硬件结构与系统功能最佳匹配、硬件结构与工程应用要求最佳匹配的可编程片上系统。关键词EDA；IP核；MCS一51；可扩展河北经贸大学经济管理学院毕业论文IIAbstractWiththedevelopmentofmicroelectronicstechnology，thedesignofICisceaselesslydevelopinginthedirectionofextra-large，ultra—lowpowerconsumpfionandsuper-highspeed.ElectronicDesignaAutomation(EDA)technologyhasbecomeallimportantelectronicdesignmethod．Andithasbeenwidelyusedinanalogcircuitsdesign，digitalcircuitsdesignandmanyotherfields．Inthisdissertation．aMCS．51IPcorehasbeendesignedbasedonEDAtechnology,furthermore．aresearchoftheextensionoftheMCS-51IPhasbeenmade．Specifically,fourcomputerinterfacecontrollerIPcoresandoneSCMIPcorearedesignedbasedonEDAtechnology,onthisbasis，anexpansible，multifunctionalSCMIPcoreispresented．Thispapermainlyincludesfollowingcontent.Firstly,thepaperintroducestheconcept，characteristics，applicationsanddesigntechniquesofEDA．Designlanguage．FPGAandIDEwhichaleusedinthispaperarerespectivelyintroduced．Secondly,inQuartusII6.0IDEfourinterfacecontrollercores．WhicharedesignedusingVHDL．Further，aMCS-51IPcoreisdesigned．Atthesametime，somefunctionshavebeenvalidatedontheFPGA．SomeimprovementandoptimizationaremadeinthedesignofinterfacecontrollerIPcoreandMCS-51IPcore．Finally，accordingtoreconfigurablenatureofFPGAandmodifiablenatureofIP，thisdissertationpresentsathoughtofmakingamultipleMCS-51IPcore．inwhichinstructionsandperipheralscanbeaddedeasilytothiscorethroughstandardinterfaces．KeyWordsEDA；IPcore；MCS-51；expansible河北经贸大学经济管理学院毕业论文I目录1绪论.......................................................................................................11.1研究背景与意义..........................................................................11.2本文主要研究内容......................................................................22EDA技术概述........................................................................................32.1EDA技术简介.............................................................................32.1.1EDA技术的概念及其特点...............................................32.1.2基于EDA技术的设计方法..............................................42.2硬件描述语言..............................................................................52.3FPGA/CPLD................................................................................62.4IP核.............................................................................................62.5设计工具一QuartusII.................................................................72.6小结.............................................................................................83MCS-51IP核的设计与实现................................................................93.1MCS-51系列单片机的内部结构................................................93.2CPU时序的概念及8051的指令系统......................................103.2.1CPU时序.........................................................................103.2.2指令系统..........................................................................113.38051IP核的设计.......................................................................123.3.1算术逻辑模块ALU的设计与实现.................................133.3.2控制单元.........................................................................143.3.3定时／计数器单元..........................................................153.3.4串行通信单元.................................................................163.4MCS-51IP核的扩展.................................................................174结论.....................................................................................................19致谢...........................................................................................................21参考文献...................................................................................................22河北经贸大学经济管理学院毕业论文1基于EDA技术的MCS-51IP核设计及其研究扩展1绪论1.1研究背景与意义现代电子产品正在以前所未有的革新速度向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化迅速发展。它与传统电子产品设计的显著区别之一就是大量使用大规模可编程逻辑器件，以提高产品性能、缩小产品体积、降低产品消耗；区别之二就是广泛运用现代计算机技术，提高电子设计自动化程度，缩短开发周期，提高产品的竞争力。EDA技术正是为了适应现代电子产品设计的要求，吸收多学科最新成果而形成的一门新技术。所谓EDA技术，实际上是以EDA软件为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以ASIC、SOC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。IP核也就是知识产权核在EDA技术开发中具有十分重要的地位。IP技术是针对可复用的设计而言的，其本质特征是功能模块的可复用性。通常把IP核分为软IP(软核，SoftCore)、硬IP(硬核，HardCore)和固IP(固核，FirmCore)。在具体实现手段和工艺技术尚未确定的逻辑设计阶段，软核具有最大的灵活性，它可方便地借助EDA综合工具与其它外部逻辑结合成为一体。单片机自20世纪70年代出现以来，被广泛地应用于科研、生产、生活及其他各个领域。MCS-51单片机易于学习、掌握，性能价格比高以及以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的单片机不断推出。因此对MCS-51单片机的IP核的设计，无论是对于一家微电子设计公司和设计人员的技术积累，掌握真实的设计经验，还是列于一个国家知识产权模块库的储备都具有重要意义。河北经贸大学经济管理学院毕业论文21.2本文主要研究内容先设计实现了MCS-51单片机IP核，最后提出对单片机IP核进行扩展的设想。由于MCS-51单片机本身具有较强的接口能力，有时为了构成功能更强、规模更大的应用系统，就需要进行I／