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1、浙 江 理 工 大 学毕业论文(设计)诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文(设计)，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文(设计)主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人(签名)：年 月 日摘 要MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能 I/O 等一台计算机所需要的基本功能部件，是业界广泛使用的单片机系列。基于FPGA 平台的 8051 单片机 CPU 核与传统 MCS-51 单片机完全兼容，但速度约为传统单片机的 20 倍，且在 FPG
2、A 内可轻松的集成许多高性能系统功能，这将使系统的设计效率和系统性能获得极大的提高，这也是现代电子设计技术的发展方向。本课题用硬件描述语言设计 MCS-51 CPU 核，从 CPU 的总体结构到局部功能的实现采用了自顶向下的设计方法和模块化的设计思想，利用 FPGA，设计实现了八位 CPU 核。本设计的 CPU 兼容 51 指令，在时钟频率和指令的执行效率指标上均优于传统的 MCS-51CPU。本设计以硬件描述语言代码形式存在，可与任何综合库、工艺库以及 FPGA结合开发出用户需要的固核和硬核，可读性好，易于扩展使用，易于升级，比较有实用价值。本设计通过 FPGA 验证。关键字：Verilog
3、 HDL； CPU； FPGAABSTRACTMCS-51 MCU is a single chip integrated CPU, RAM, ROM, timer / counters and multi-function I / O such as a computers basic features required, is the industrys widely used microcontroller series. 8051 FPGA-based CPU platform with the traditional core is fully compatible with MCS
4、-51 microcontroller, but the speed is about 20 times that of traditional single chip, and the FPGA can be easily integrated within a number of high-performance system functions, which will enable the design of the system efficiency and system Be greatly improved performance, which is the development
5、 of modern electronic design direction. The issue with the hardware description language design MCS-51 CPU core, from the CPU to the local function of the overall structure of the realization of using top-down design and modular design, the use of FPGA, design and implementation of the eight CPU cor
6、es. The CPU model in this paper can execute the MCS-51MCU assemble language instruction sets, and is better than the traditional MCS-51 MCU on both clock frequency and the execution efficiency of the instruction. This design was existed in a form of HDL source code，which can be reused in many SoC de
7、signsThis model can be read easily, updated easily and extended freely, so it has a practical value in SoC designThis design was implemented on FPGA.Keywords:Keywords: Verilog HDL ； CPU ； FPGA目目 录录摘 要Abstract第 1 章 绪论.11.1 选题背景11.2 国内外发展及现状11.3 课题的主要内容2第 2 章 CPU 的结构及设计.42.1 CPU 的简介42.2 CPU 的结构42.2.1
8、时钟发生器.4 2.2.2 指令寄存器.52.2.3 累加器.62.2.4 算术运算器.62.2.5 数据控制器.72.2.6 地址多路器82.2.7 程序计数器82.2.8 状态控制器.92.2.9 外围模块.11第 3 章 CPU 的功能.133.1 CPU 的操作.133.1.1 系统的复位和启动操作.133.1.2 总线读操作.133.1.3 总线写操作133.2 CPU 的寻址方式和指令集 143.3 汇编14第 4 章 CPU 的仿真和验证.164.1 CPU 模块的仿真 164.2 CPU 模块的综合 184.3 CPU 模块的优化和优局布线 25第 5 章 总结和展望.27参考
9、文献.28致 谢29附 录30浙江理工大学信息电子学院本科毕业论文(设计)- 1 -第 1 章 绪论1.1 选题背景单片机自从被推出后开始迅速发展，应用领域也在不断扩大，现己成为微型计算机的重要分支，单片机处理数据的能力在不断提高，速度也越来越快,长期以来被广泛的应用在各领域。 同时随着集成电路和计算机技术的飞速发展，电子设计自动化(EDA)以计算机的硬件和软件为基本的工作平台，已经发展成为可以代 替设计者完成电子系统设计的重要工具。其中 FPGA 是一种新兴的可编程逻辑器件(PLD),与其它可编程逻辑器件(PLD)相比,具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性。FPGA 是一种新兴的
10、可编程逻辑器件，可以取代现有的全部微机接口芯片，实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性，被广泛应用于各种电子类产品中。单片机具有性能价格比高、功能灵活、易于人机对话、良好的数据处理能力特点；FPGA 则具有高速、高可靠以及开发便捷、规范等优点。以此两类器件相结合的电路结构会有很多的发展空间。基于 FPGA 的高密度、高速度、现场可编程的能力和单片机强大的数据处理功能设计的 CPU 采用了与传统单片机不同的实现架构，利用 FPGA 的边沿触发的特点，单周期单指令，因而无论在时钟频率还是在汇编指令的执行效率上都明显优于传统的MCS-51 单片机
11、。这个设计的扩展接口控制器部分很好地扩充了传统单片机的功能，而且由于具有 较好的可移植性，可以只利用扩展接口控制器部分实现对现有的单片机进行升级，节约更换高性能 CPU 而带来的产品提升，达到适应新的要求。目前以硬件描述语言所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。1.2 国内外发展及现状微控制器简称 MCU，又称单片机，是指将计算机的 CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种 IO 接口集 成在一块芯片上，形成芯片级的计算机。单片机的出现的初MCS-51 CPU 核的设计与仿真- 2 -衷是面向工业控制，目前它己经广泛应
12、用于各个领域及各个行业。 1976 年 Intel 公司推出低档 8 位单片机 (MCS-48 系列)。在 1980 年 Intel 公司推出了 比 MCS-48 系列性能更为优越的 8 位单片机 8051(MCS-51 系列)。1983 年Intel 公司又推 出了 CMOS 型 80C51、16 位单片机 5096(MCS-96 系列)。众多公司先后推出了 32 位单片机、 64 位单片机。尽管单片机的设计技术在不断的发展，处理能力越来越强，从 4 位到 8 位，再到 16 位、32 位，甚至出现了 64 位，但有一个现象却十分有趣，8 位单片机在经历了 三十多年之后，依然显示出强大而旺盛
13、的生命力，其市场占有率一直高居榜首。与从 8 位机迅速向 16 位、32 位、64 位过渡的通用计算机相比，8 位微控制器从 20 世纪 70 年代初期诞生至今，虽历经从单片微型计算机到微控制器、单片机和 SoC 的变迁， 8 位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来相当长的时间里，仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展道路。在 8 位单片机能基本满足其响应速度要求后，数据宽度不是技术发展的主要矛盾。因此 8 位微控制器会稳定下来，其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求，嵌入式系统低端应用的巨大市场及 8 位机具有的速度潜力，可以预计在未来相当长的时间内，8 位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。 现今市场上流行的典型的 8 位微控制器，
