MCS51单片机与FPGA的接口逻辑设计论文.docx

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MCS51单片机与FPGA的接口逻辑设计论文

MCS-51单片机与FPGA的接口逻辑设计

摘要

数字电路由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路发展到超大规模集成电路以及具有特定功能的专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）。

随着微电子技术的发展，出现了现场可编程逻辑器件FPLD，其中应用最广泛的是现场可编程门阵列FPGA。

FPGA（Field-ProgrammableGateArray）具有使用灵活、高集成度、低功耗、设计快速、现场可编程等优势，在系统设计中经常会用到FPGA来扩展单片机的相关资源。

单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点，因此，系统设计中将单片机数据处理的优势与FPGA高速集成、执行快速的特点相结合，能够设计出既有强大控制功能又能使各项功能快速执行的系统。

基于这种需求，MCS-51单片机与FPGA之间的通信便显得尤为主要，有很强的现实意义。

本课题通过研究FPGA的技术特点及应用、单片机接口的实现方式以及软件的仿真等，设计了MCS-51单片机与FPGA通信的接口逻辑电路，实现单片机与可编程逻辑器件数据与控制信息的可靠通信。

接口主要有并行接口和串行接口。

设计采用的是VHDL语言的文本输入方式，设计比较灵活，按照接口的要求设计逻辑电路。

并行接口是利用单片机的I/O口，并按照读写时序设计逻辑，使得单片机与FPGA之间的数据可以相互传送。

串行接口是由波特率发生器、接收器和发送器模块组成，通过各模块的功能设计接口逻辑。

利用仿真软件QuartusⅡ进行分析综合、功能仿真与时序仿真，生成分析报告以及内部逻辑电路，并得出仿真结果，验证接口的可行性。

关键词：

单片机，FPGA，接口逻辑，数据通信

MCS-51MICROCONTROLLERINTERFACE

ANDFPGALOGICDESIGN

ABSTRACT

Digitalcircuitdevelopedfromtheearlyelectrontubes,transistors,smallandmedium-scaleintegratedcircuitstoaverylargescaleintegratedcircuitsandapplicationspecificintegratedcircuitwithaspecificfunctionASIC.Withthedevelopmentofmicroelectronics,therehavebeenfield-programmablelogicdevices,inwhichfield-programmablegatearrayisthemostwidelyapplication.FPGAwithflexibleapplication,highlyintegrated,lowpowerconsumption,fastdesign,field-programmableandotheradvantagesisoftenusedtoexpandthemicrocontrollerrelatedresourcesinthesystem.SCMhashighercost-effective,flexiblefunction,easydialoguetoman-machine,powerfuldataprocessingcapabilitiesandothercharacteristics.Therefore,combinedtheadvantagesofSCMdataprocessingtothehigh-speedintegrationandfastimplementationofFPGA,itcandesignthesystemwithpowercontrolfunctionandrapidimplementationofthevariousfunctions.Basedonthedemand,thecommunicationbetweenMCS-51microcontrollerandFPGAbecomesmoreimportantandhasastrongpracticalsignificance.

BystudyingthetechnicalcharacteristicsandapplicationofFPGA,theimplementationsofMCUinterfacesandthesoftwaresimulation,theinterfaceslogiccircuitsofMCS-51MCUandFPGAcommunicationhavebeendesignedtorealizethereliablecommunicationbetweenSingleChipMicrocomputerandprogrammablelogicdevicedataandcontrolinformation.Theinterfacesincludeparallelinterfaceandserialinterface.ThedesignusestheVHDLlanguagetextmethodswhichhaveflexiblydesigned.Accordingtodemandoftheinterface,designlogiccircuit.UsingtheI/Oportsandfollowingread-writetimingofmicrocontroller,deignedthelogiccircuitofparallelinterfacetomakedatatransfereachotherbetweenMCUandFPGA.Serialinterfaceincludebaudrategenerator,receiverandtransmitter.Usethefunctiondesignofeachmoduletodesigntheinterfacelogic.RunAnalysisandSynthesis,functionalsimulationandtimingsimulationusingsimulationsoftwareQuartusⅡ.Finally,generateanalysisreportsandtheinternallogiccircuits.Basedsimulationresult,verifythefeasibilityoftheinterface.

KYEWORDS:

singlechipmicrocomputer,FPGA,interfacelogic,datacommunication

第一章绪论

§1-1论文的选题背景

当今社会是数字化的社会，数字集成电路应用非常广泛，其发展从电子管、晶体管、小规模集成SSI、MSI、LSI到超大规模集成电路ULSI和超位集成电路GSI，其规模平均每1～2年翻一番。

集成电路的发展大大促进了EDA技术的发展，半导体厂商已经不再完全独立设计和制造专用集成电路（ASIC），开始转向可编程逻辑器件，特别是现场可编程逻辑器件，使系统设计师在实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片，直接投入使用。

现在应用最广的主要是现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和可擦除可编程逻辑器件（EPLD）。

现场可编程门阵列FPGA器件是Xlinx公司1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制造[1]。

自Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了十几年的发展历程，以FPGA为代表的数字系统集成技术取得了惊人的发展，从最初的1200门发展到现在的数百万门FPGA芯片，将FPGA芯片的集成度提高到一个新的水平。

FPGA市场之所以有这么大的吸引力，主要源于FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且缩短了开发周期、节省开发成本、芯片的价格越来越低，使FPGA取代了ASIC的市场。

另外，FPGA的功能完全由用户编制的配置程序决定，在不改变其外部接口的情况下，可以很方便的改变电路的逻辑功能，特别是对小批量、多品种的军品设备的研制，FPGA非常适合作为开发芯片。

所以，国内外已普遍地使用FPGA来设计产品或进行科研[2]。

随着可编程逻辑器件及EDA技术的不断发展，各方面优势逐渐显现，在系统设计中经常会用到FPGA来扩展单片机的相关资源，使其有机结合，缩短开发周期，适应市场需要。

在功能上，单片机具有性价比高、功能灵活、控制能力强、良好的数据处理能力，而FPGA具有高速、高可靠以及开发便捷、组合逻辑能力强、规范等优点，与单片机有很强的互补性。

系统设计中将单片机数据处理的优势与FPGA高集成度、执行快速的特点相结合，能够设计出既有强大控制功能又能使各项功能快速执行的系统。

基于这种需求，本课题设计了MCS-51单片机与FPGA的接口逻辑电路，实现单片机与FPGA数据与控制信息的可靠通信，结合FPGA与单片机的优势，组成灵活、可靠性高、软硬件可现场编程的控制系统，广泛应用在各个领域。

§1-2FPGA技术发展概况

1-2-1国内外发展状况

世界上主要的EDA技术公司纷纷在EDA工具上开发FPGA应用设计，推动了应用设计的通用化。

正是在这样的技术应用背景下，世界上一些主要的微电子技术公司，开始深入研究和制造FPGA器件，在FPGA器件性能、价格、新品种方面相互竞争，推陈出新。

目前，FPGA技术凭借它的独特优势，已经跃之为电子应用（包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC设计）领域广受欢迎的实用化技术，成为数字系统的科研实验、样机试制、小批量产品的即时实现的最佳途径。

同时，FPGA器件的新功能、新构思正在不断出现，向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源越好来满足用户的需求，不断扩大市场，特别是引人注目的FPGA可动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计的巨大变革。

目前FPGA/CPLD供货商全部来自美国公司，主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel等。

其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。

两大公司不断地推出了FPGA系列产品来满足市场的需求，逐步提高平台的整体性能，完善器件的功能，相互竞争，以推动FPGA市场的快速发展。

由于它使用方便，改变逻辑功能易于实现，这也迎合了现代通信发展的要求，所以，国外已普遍地使用FPGA来设计产品或进行科研工作。

国内的FPGA技术发展也非常迅速，很多公司通过和国际上的大公司保持长期的合作，提高专业的技术指导和培训，培养更多的FPGA人才，凭借国内巨大的市场需求、丰富的人力资源，以及稳定的经济发展和优越的政府扶持等众多优势条件，近几年，可编程逻辑器件产业取得了飞速发展，不断研制出性能更好的产品，价格也不断降低，很大程度上降低了设计者的开发成本。

1-2-2FPGA技术的应用及发展趋势

由于FPGA应用与EDA技术是面向解决电子系统最基本最低层硬件实现问题的技术，因此从其发展趋势的横向看，势必涉及越来越广阔的电子设计技术领域，其中包括电子信息、通信、航天航空、工业自动化、家电、生物工程等等，而且随着大规模集成电路技术的发展和基于EDA技术的FPGA开发工具软件功能的不断加强，所涉及的领域还将不断扩大[3]；而从纵向看，EDA技术的不断发展，采用深亚微米及超深亚微米工艺技术，使得芯片中可以集成巨大数量的晶体管，奠定了在单个芯片上设计完整系统，即单片系统SOC或SOPC[4]。

另外，目前FPGA和很多处理器结合起来使用，比如DSP，ARM，单片机等。

在DSP应用领域中，用户要求越来越高，DSP已克服不了处理速度、硬件灵活、开发效率等方面的缺点。

大容量、高速度的FPGA中内嵌可配置高速RAM、PLL以及硬件乘法累加器等模块，弥补了DSP的不足。

DSPBuilder就是Altera推出的一个面向DSP开发的系统级工具[5]。

FPGA技术不同于常规集成电路应用技术，其依赖并带动电子设计的变革，不同的设计思想和设计方式的发展和变革，促进了电子设计通用化的发展。

但是，也对从事电子设计的人员要求提高到新的高度和层次，因此，专业的技术支持和技术培训是必不可少的环节。

目前，国际上EDA技术公司和FPGA技术公司进行合作交流，开设一些专业培训和设计实验辅导，以推动中国FPGA技术应用和硬件语言技术的普及，为FPGA行业未来的快速发展奠定了基础[6]。

目前最主流的硬件描述语言是VHDL和VerilogHDL。

VHDL发展的比较早并且语法严格，而VerilogHDL的书写是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法比较自由。

在设计者中使用VHDL的相对比较多。

FPGA的主要发展方向：

（1）规模越来越大，集成度越来越高。

早期的FPGA规模只有几千门，2006年5月份，Xilinx公司推出世界上第一个65nmFPGA系列—Virtex-5，它是基于65nm三极栅氧化层技术、11层铜布线工艺、低K材料、新型镍硅自对准技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构，可以提供330000个逻辑单元（可编程逻辑门约660万门）和1200个用户I/O，FPGA的规模大大提高了，逐步向系统级高密度技术发展，同时芯片的面积也不断缩小，节约成本。

（2）速度不断提高，性能不断提升。

随着FPGA器件集成度的提高，生产商不断生产高性能、高效率的器件。

Xilinx公司2006年推出的Virtex-5LX性能和利用率都很高，同时功耗大幅度降低。

Virtex-5LXFPGA比上一代90nmFPGA提供高出30%的性能，硅片面积少占用45%，以及功耗比上一代低了35%，是当时业界最低动态功耗。

Virtex-5LX平台具有更高性能的逻辑，以提高设计余量和加快时序收敛，更低功耗，以满足功耗预算，降低系统成本和防止热失控，简化的可靠高带宽接口设计，更高的集成度，以提高性能和降低成本，更短的设计周期，以提高生产率和缩短上市时间，这些专门用于满足用户的各种需求。

Altera公司于2006年11月份推出StratixIII的65nmFPGA系列，速度比前一代器件快25%，密度比前一代FPGA提高了1倍，功耗降低了50%，支持四十多个I/O接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性[7]。

（3）IP库的利用。

随着嵌入式技术的不断发展，FPGA也开始将IP核嵌入到FPGA中，以满足用户更高的需求，实现更高效的功能。

具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：

一方面是FPGA厂商在生产时将IP硬核嵌入到FPGA器件中，IP硬核指完成版图设计的功能单元模块；另一方面是扩充优化的IP软核。

它是利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块，用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，有效地完成片上系统的设计，缩短设计周期，节约成本。

（4）价格越来越低。

目前国际上各大FPGA生产厂商都在不断推出新的产品，FPGA市场的激烈竞争推动了价格的不断下调。

基于SRAM的FPGA的价格下降很快，在2004年底每1万门的单价降至1美元，到2005年降至0.5美元，这样也给用户节省了开发成本。

Altera公司于2005年第二季度开始批量生产的低端FPGACyc1oneII，其约33万门的产品以22美元的价格供货，这样的价格在市场上很占优势，销量也在不断攀升。

（5）向可编程系统芯片（SOPC）方向发展。

可编程系统级芯片（SOPC）是ASIC发展的新阶段，代表了当代电子的发展方向，结合了ASIC和FPGA的优势，具有高集成度、功耗小、设计灵活、成本低等特点。

Altera推出的支持新款CycloneIIFPGA系列的NiosII嵌入式处理器，允许设计者在很短的时间内构建一个完整的可编程系统芯片，风险和成本都比较小。

实现PSOC主要有两种途径，一种是在FPGA中嵌入专用功能的IP核，实现SOC的功能，另一种是将可编程逻辑IP核嵌入到SOC中。

SOPC的出现是市场和技术共同推动的结果[8]。

§1-3论文的主要工作

论文介绍了FPGA技术的发展和基本原理、FPGA的设计流程及仿真工具QuartusⅡ，并应用VHDL硬件描述语言对MCS-51单片机与FPGA通信接口逻辑进行设计，主要对并行接口和串行接口进行重点研究，并进行仿真分析。

（1）并行接口：

分析并行接口方式的特点，选择合适的接口方式。

根据接口方式的工作原理，使用VHDL语言编写各模块的程序，生成模块图，将各模块连接起来完成总的逻辑电路设计。

为了验证逻辑的可行性，建立相应的波形文件（激励），使用仿真软件QuartusⅡ对接口逻辑电路进行功能仿真与时序仿真，得出仿真结果，并对仿真过程中可能遇到的问题进行分析。

（2）串行接口：

相对于并行通信，串行通信的数据传输方式是串行的，即数据是一位一位地进行传输。

论文了解了串行通信的工作方式及要求，使用硬件描述语言并按要求设计串行接口的总体逻辑电路，逻辑电路包括波特率发生器、发生器、接收器三个模块，并通过QuartusⅡ软件对串行接口的逻辑设计进行仿真，检测是否可行，并对占有资源、时序分析等相关因素进行分析，反复调试并分析得出的仿真结果，生成逻辑设计的内部电路，证明单片机与FPGA串行接口逻辑可行。

第二章FPGA技术及设计工具

§2-1FPGA器件的发展及分类

当今世界是数字化的世界，而电子系统设计最终必将是数字化。

数字集成电路从应用小规模集成电路（SSI）芯片构成电路系统，到广泛地应用微控制器或单片机（MCU），再到今天面临的另一次更大意义的突破，即CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程逻辑门阵列）的广泛应用，有着突飞猛进的变革，为电子行业注入了新的活力。

随着超大规模集成电路工艺的不断提高，同时集成度也在不断提高，单一芯片内部可以容纳上百个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大，从一开始的1200门已达到上百万门，所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成，使电子产品达到小型化、微型化、集成化。

另外，FPGA器件内部有丰富的触发器和I/O引脚，用户可以反复地编程、擦除、使用，与门阵列等其他ASCI相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、质量稳定以及功耗低等优点[9]。

相对于其他处理器，可编程器件拥有较高的成本，在一些中、高批量的应用中很多使用者不再愿意采用PLD器件。

JohnDanne介绍说，Altera公司通过市场调查，意识到产业发展模式正在发生改变，成本是客户关注最多的。

虽然PLD器件仍可以应用在一些小批量如工业控制和自动化等应用，但对于公司传统通信应用等领域影响很大。

Altera公司同时也意识到，随着“摩尔定律”发展到超深亚微米，更先进工艺的成本也在快速提高，使得ASIC的设计成本难以承受，PLD产业得以有机会进入传统ASIC应用领域[10]。

但要达到该目标，首先必须解决FPGA在中、高批量应用中的成本问题，设计出适合中、高批量应用的全新可编程器件，因此Altera公司对这两个市场进行了考察。

FPGA在成本和功耗方面得到明显改善，而可编程器件CPLD在未来增长的动力将越来越小，FPGA将会应用到更广泛的领域，体现它的价值[11]。

FPGA器件目前生产商主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel等，其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。

两大公司各自推出了一系列的产品来满足市场的需要，从低成本应用、容量中等、性能满足一般的逻辑设计需要到高性能要求、容量大、性能满足各类高端应用。

Xilinx公司自从事FPGA的研制开发以来，不断地进行技术创新，研制新的产品，提高器件的逻辑门和引脚的个数，减少功耗等。

目前主流的产品有Spartan系列和Virtex系列。

VirtexⅡ是目前主流的产品，Xilinx公司在2002年推出的新型高端FPGA[12]，其内部结构有了很大的改进，内嵌专用乘法器、更大容量的BlockRAM，支持更多的I/O口标准。

2006年5月，Xilinx公司推出了世界上第一个65nmFPGA系列—Virtex-5[13]。

Xilinx公司FPGA产品的发展历程如表2.1所示：

Altera主要有FLEX10KE、APEX20K、Cyclone系列、Arria系列、Stratix系列。

随着新产品的不断推出，系统性能、系统门数、内部RAM的容量、I/O总数等都有很大的改进，有一些产品也逐渐被淘汰，价格方面也比以前便宜了，可以满足不同人群的需求，在各个领域有更广泛的应用。

AlteraFPGA发展历程[6]，如表2.2所示：

表2.1XilinxFPGA产品的发展历程

Table2.1XilinxFPGAProductsdevelopmentprocess

年份

主要发展

1998

1998

1998

1998

1998

1999

2000

2001

2002

2002

2004

2005

2006

2006

XC9500：

FLASH工艺的PLD

XC9500XL

SPARTAN中规模SRAM工艺，芯片支持5v和3.3v的电压，CLB数量有限

SPARTANⅡ：

2.5vSRAM工艺FPGA，Spartan的升级产品[14]

Virtex：

大规模SRAM工艺，采用0.15um和0.12um混合工艺设计，内核电压1.5v

XC9500XV

CoolRunnerXPLA3：

Philips的产品，99年被Xilinx收购、特点是功耗低

VirtexⅡ：

新一代大规模SRAM工艺FPGA产品，主流产品

CoolRunner-Ⅱ：

新一代低功耗产品

Virtex-ⅡPro基于VirtexⅡ的结构，集成CPU和高速接口的FPGA产品

SpartanTM-3：

新一代FPGA产品，结构与VirtexⅡ类似，90nm工艺

Virtex-4TMLX：

侧重普通逻辑应用，预计2005年底开始量产

Virtex-4TMSX：

侧重数字信号处理DSP模块比较多，2006年年初开始量产

Virtex-4TMFX：

集成PowerPC和高速接口模块，2006年初开始量产；Virtex-5问世

表2.2AlteraFPGA发展历程

Table2.2AlteraFPGAdevelopmentprocess

年份

主要发展

1992

1995

1996

1997

1998

2000

2001

2002

2003

2004

2006

FLEX800FPGAs问世

第一个带嵌入式存储器的FPGA—FLEX10KFPGAs

第一个10万门嵌入式FPGA—EPF10K100FPGAs问世

APEXFPGAs