8051单片机的FPGA设计与实现.docx

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8051单片机的FPGA设计与实现

第一章前言1

第二章FPGA系统的简介3

第一节FPGA的特点3

第二节FPGA的设计流程4

第三节FPGA的开发工具5

第二章8051单片机的FPGA设计与实现7

第一节51单片机的引脚功能7

第二节51系列单片机的结构和原理10

第三节51单片机存储器配置13

第四节8051单片机的FPGA设计与实现17

第一章前言

20世纪末在计算机技术逐渐发展的情况写，电子技术得到了飞速的发展，现代电子产品已经渗透到了社会的各个领域，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的性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

电子技术发展的根基是微电子技术的进步，它表现在大规模集成电路加工技术，即半导体工艺技术的发展上，表征半导体工艺水平的线宽已经达到60nm以下，并还在不断缩小；在硅片单位面积上集成了更多的晶体管，集成电路设计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（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）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SOC（Systemonachip）的功能。

另外集成电路（IC）技术在微电子领域中占有重要的地位。

且伴随着IC技术的发展，电子设计自动（ElectronicDesignAutomation，EDA）已经逐渐成为重要的设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

CPLD与FPGA的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。

FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它们除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：

随着VLSI（VeryLargeScaleIC，超大规模集成电路）工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。

FPGA/CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。

用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。

所以，用FPGA/PLD试制样片，能以最快的速度占领市场。

FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。

当电路有少量改动时，更能显示出FPGA/CPLD的优势。

现有的电子系统设计多数采用微控制器为核心，辅以必要的外围器件如ADC、DAC和存储器等，这样的系统做出来的线路板较大，且调试复杂；而且如果系统内有高速器件，则微控制器的选择将会是个困难；虽然可通过程序升级增加或改进功能，但硬件一旦设计完成，是无法更改的。

FPGA（现场可编程门阵列）与CPLD（复杂可编程逻辑器件）都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。

同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。

这样的FPGA/CPLD实际上就是一个系统部件。

由于其应用的灵活性，这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。

第二章FPGA系统的简介

在数字化、信息化的时代，数字集成电路应用得非常广泛。

随着微电子技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路（VLSI）逐步发展到今天的专用集成电路（ASIC）。

ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减小了产品的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。

但是ASIC因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。

可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。

从早期的只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）i1oJ和电可擦除只读存储器（EEROM），发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）11ii,今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现场可编程逻辑器件（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

第一节FPGA的特点

FPGA既继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。

当代FPGA有以下特点：

1.规模越来越大。

2.开发过程投资小。

3.FPGA一般可以反复地编程、擦除。

4.保密性能好。

5.FPGA开发工具智能化，功能强大。

6.新型FPGA内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，可以作为片上可编程系统（SOPC）的硬件平台。

第二节FPGA的设计流程

一个完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤。

常用的设计输入方法有硬件描述语言（HDL）和原理图设计输入方法。

原理图设计输入法早期应用得比较广泛，它根据设计要求，选用器件、绘制原理图、完成输入过程。

这种方法的优点是直观、便于理解、元件库资源丰富。

但是在大型设计中，这种方法的可维护性较差，不利于模块建设与重用。

更重要的缺点是：

当所选用芯片升级换代后，所有原理图都要作相应的改动。

目前进行大型工程设计时，最常用的设计方法是HDL设计输入法。

其中影响最为广泛的HDL语言是VHDL和VerilogHDL。

它们的共同特点是利于自顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结构的变化而变化，更利于向ASIC的移植。

电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否符合设计要求。

功能仿真有时也被称为前仿真。

通过仿真能及时发现设计中的错误，加快设计进度，提高设计的可靠性。

综合优化（Synthesize）是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，RAM，寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接（网表），并根据目标与要求（约束条件）优化所生成的逻辑连接，输出edf和edn等文件，供FPGA厂家的布局御线器进行实现。

综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，需要做综合后仿真。

在仿真时，把综合生成的延时文件反标到综合仿真模型中去，可估计门的延时带来的影响。

综合后仿真虽然比功能仿真精确一些，但是只能估计门的延时，而不能估计线的延时，仿真结果与布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。

这种仿真的主要目的在于检查综合器的综合结果是否与设计输入一致。

综合结果的本质是一些由与、或、非门，触发器，RAM等基本逻辑单元组成的逻辑网表，它与芯片实际的配置情况还有较大差距。

此时应该使用FPGA厂商提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表，适配到具体FPGA器件上，这个过程就叫做实现（Implementation）过程。

Xilinx的实现过程分为：

翻译（Translate）、映射（Map）、布局布线（Place&Route）等3个步骤。

布局布线之后应该做时序仿真，时序仿真中应该将布局布线的时延文件反标到设计中，使仿真既包含门的延时，又包含线的延时信息。

与前面各种仿真相比，这种后仿真包含的延时信息最为全面、准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。

设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试。

在ISE中对应的工具是iMPACT。

第三节FPGA的开发工具

FPGA的开发工具有很多，各个公司都有自己专用工具。

本次毕业设计我所采用的开发工具为ALTERA:

QUARTUS。

一、ALTERA:

QUARTUS

Quartus®IIdesign是最高级和复杂的，用于system-on-a-programmable-chip（SOPC）的设计环境。

QuartusIIdesign提供完善的timingclosure和LogicLock™基于块的设计流程。

QuartusIIdesign是唯一一个包括以timingclosure和基于块的设计流为基本特征的programmablelogicdevice（PLD）的软件。

QuartusII设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等，在工业领域率先提供FPGA与mask-programmeddevices开发的统一工作流程。

AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。

AlteraQuartusII设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。

工程师使用同样的低价位工具对StratixFPGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopyStratix器件用于批量成品。

系统设计者现在能够用QuartusII评估HardCopyStratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。

Altera的QuartusII可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。

该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。

Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。

改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。

二、QuartusII的特点

1、支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件

2、软件体积缩小，运行速度加快

3、LogicLock设计流程把性能提升15%

4、采用快速适配选项缩短编译时间

5、新的功能减小了系统级验证

第二章8051单片机的FPGA设计与实现

单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。

单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。

80年