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1、河北经贸大学经济管理学院毕业论文基于EDA技术的MCS-51 IP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-51IP核设计及其扩展研 究，应用EDA技术设计实现基于MCS-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
2、 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MCS51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-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 51；
3、可扩展AbstractWith the development of microelectronics technology , the design of IC is ceaselessly developing in the direction of extra-large, ultra一low power consumpfion and super-high speed. Electronic Design a Automation(EDA) technology has become all important electronic design method And it has b
4、een widely used in analog circuits design, digital circuits design and many other fields In this dissertation a MCS 51 IP core has been designed based on EDA technology,furthermore a research of the extension of the MCS-51 IP has been made Specifically, four computer interface controller IP cores an
5、d one SCM IP core are designed based on EDA technology,on this basis, an expansible, multifunctional SCM IP core is presented This paper mainly includes following content.Firstly,the paper introduces the concept, characteristics, applications and design techniques of EDA Design language FPGA and IDE
6、 which ale used in this paper are respectively introduced Secondly,in Quartus II 6.0 IDE four interface controller cores Which are designed using VHDL Further, a MCS-51 IP core is designed At the same time, some functions have been validated on the FPGA Some improvement and optimization are made in
7、the design of interface controller IP core and MCS-51 IP core.Finally, according to reconfigurable nature of FPGA and modifiable nature of IP, this dissertation presents a thought of making a multiple MCS-5 1 IP core in which instructions and peripherals can be added easily to this core through stan
8、dard interfaces KeyWords EDA； IP core； MCS-51 ； expansible目录1 绪论11.1 研究背景与意义11.2 本文主要研究内容22 EDA技术概述32.1 EDA技术简介32.1.1 EDA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52.3 FPGA/CPLD62.4 IP 核62.5 设计工具一 Quartus II72.6 小结83 MCS-51 IP核的设计与实现93.1 MCS-51系列单片机的内部结构93.2 CPU时序的概念及8051的指令系统103.2.1 CPU 时序103.2.2 指令系统1
9、13.3 805 IIP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163.4 MCS-51 IP核的扩展174 结论19致谢21参考文献22基于EDA技术的MCS-51 IP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
10、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，Soft Core）硬IP（硬核，HardCore）和固IP（固 核，Firm Core）-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
11、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。1.2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
12、 功能更强、规模更大的应用系统，就需要进行I/O口线接口电路的扩展 设计。Intel公司的80 / 85系列接1： 3电路都可直接与MCS-51接1 ： 1。扩 展后的的系统实际上就是以MCS-51为内核，可连接多种功能模块的处 理器系统。全文的组织结构如下：在第一章中，介绍了本文的研究背景、意义和主要完成的工作。在第二章对EDA技术进行了概述，包括EDA技术的概念和特点、设计 方法，设计语言、实现载体、IP核的概念以及设计工具等。在第三章介绍了MCS-51 IP核的设计与实现。这一部分中，在深入研 究MCS-51体系结构、指令系统及IP核设计方法的基础上，按照EDA技 术自顶向下的设计方法，
13、首先将MCS-51 IP核的系统结构划分为算术逻 辑单元ALU、控制单元、定时/计数器单元和串行通信单元四个功能模 块，然后采用硬件描述语言与EDA工具软件分别对它们进行设计与实 现，最后将它们组合起来，形成完整的MCS-51 IP核，达到设计实现基 于MCS-51的单片机IP核的目标。最后提出扩展此IP核的设想。在第四章中对本文所做工作进行了总结与展望。2 EDA技术概述20世纪末，电子设计技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电 子产品几乎渗透到社会的各个领域，有力的推动了社会生产力的发展和 社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品 更新换代的节奏也变得越来越快。集成
14、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，专用集成电路ASIC的设计成本不断 降低，在功能上，现代的集成电路已能够实现单片电子系统，即SOC。 因此，设计与制造集成电路的任务变得越来越繁杂，工作量极其巨大， 已不可能完全使用传统的电子设计方法来完成。而且从电子工程师的开 发需求出发，他们更愿意自己设计专用集成电路ASIC芯片，同时也希望 ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC 芯片，并且能立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件。 同时，计算机技术的普及与发展也加速了电子设计自动化技术EDA的发 展。这样，在现代电子系统设计领域中引入了
15、具有划时代意义的EDA技 术。现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化 技术，即EDA技术。下面先简单介绍一下EDA技术。2.1 EDA技术简介2.1.1 EDA技术的概念及其特点EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对 以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成 逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直 至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利 用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能 的实现，这是电子设计技术的一个巨大进步。EDA技术在硬件实现方面 融合了大规
16、模集成电路制造技术、IC版图设计、ASIC测试和封装、FPGA /CPLD编程下载和自动测试等技术；在计算机辅助工程方面融合了计 算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念：而在现代 电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理 技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。EDA技术的特点有：1. 用软件的方式设计硬件：2软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完 成的；3. 采用自顶向下的设计方法；4. 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；5. 系统可现场编程，在线升级；6.
