基于FPGA的MCS51核的VHDL语言设计与实现.pdf

基于FPGA的MCS51核的VHDL语言设计与实现.pdf

《基于FPGA的MCS51核的VHDL语言设计与实现.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的MCS51核的VHDL语言设计与实现.pdf（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

中南大学硕士学位论文基于FPGA的MCS-51核的VHDL语言设计与实现姓名：

雒雄申请学位级别：

硕士专业：

物理电子学指导教师：

曹建20070528中南大学硕士学位论文摘要摘要本文以研究嵌入式微处理器为主，自主地设计了能够运行MCS51系列单片机指令的MCU系统。

系统采用了VHDL语言与原理框图的综合设计方法，并且在Altera公司的FPGA上通过验证。

论文深入地研究了微处理器的指令系统和数据地址通路，采用VHDL语言完成了取指单元，指令译码器单元，存储器单元和逻辑运算单元的电路模块的设计与实现；研究了控制单元的实现方法和基于全局状态机的设计理论，采用硬件描述语言完成了对各个控制线的相关设计与实现。

论文通过原理示意图和示例代码的演示，着重介绍了指令译码器的实现方式，基于此种方式形成的译码电路还能够实现更为复杂的CISC指令。

本系统采用分模块的设计方式，把具有相同功能的逻辑电路集中到一个框图里，使得系统的可移植性大大地提高。

系统还采用层次框图的设计方式，把明显地具有主从关系的电路放在不同的层次里，这也使得系统模块功能的可扩展性大大地增强。

内部逻辑共分为数据存储器模块；程序存储器模块；时序控制模块；特殊功能寄存器模块和Core核心模块这五个部分，文中对各个模块的设计作了详细的介绍本文在最后对已实现的部分典型指令进行了逻辑仿真测试，测试结果表明，本文所设计的MCU系统能够如预期地执行相应的指令在指令执行的过程中，相应寄存器和总线上的值也均符合设计要求，实现了设计目标。

关键词：

MCU，FPGA，VHDL，MCS51核中南大学硕士学位论文ABS丁RACTABSTRACTBasedembeddedmicroprocessorresearch,thisthesishasindependentlydesignedamicroprocessorsystemwhichcanrunMCS一51imtructiOIlSThedesignisdescribedbvV皿LandbloekdiagramAIloftheinstructionshasbeentestsuccessfullyontheplatformofFPGAThcthesiscarefullyresearchesonthesetofinstructiOIlSanddata-addressaccess，andcompletesthedesignandrealizationoffetchinginstructionunit，instructiondecoderunit，memoryunitandALUunitbyhardwaredescriptionlanguageThethesisresearchesontherealizationmethodofcontrolunitandthedesigntheorybasedonoverallstatemachineThroughPrincipleM印andsamplecodedemonstration,thethesisintrodueestheinstructiondecoderofwaysBascd011thisapproachtotheformationofdecodingcircuitalsobeabletoachievemorecomplexCISCinstructionsBymean8ofsub-moduledesign,thesystemmigrationisimprovedgreatlybyconcentratingthesamefunctionallogiccircuittoononefunctionalmoduleSystemalsoUSeSthedesignmeansoflevelblockdiagramandconcentratestheprimaryandsecondarydrcuittodiff凹entlevelsTlliShasmadethesystemfunctionalmodulescanbeexpandedgreatlyenhancedInternal109icconsistsofdatastomgemodule，Programstoragemodule，TimingControlmodule，SpecialfunctionRegistersmoduleandCoreModule111ethesisintroducescaehmoduleforthedesignofthedetailsAttheendofthispaper,WeintroducedtheresultoflogicsimulationtcsttosometypicalinstructionsTestresultsshowthattheAdCUsystemCanworknormallyASexpectedthevaluesofcorrespondingregistersandbusmeetdesignrequirements,andthissystemachievesdesigngoalsKEYWORDS：

MCU,FPGA，VHDL，MCS-51Coren原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

论文主要是自己的研究所得。

除了已注明的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书面使用过的材料。

与我共同工作的同志对本研究所作的贡献，己在论文的致谢语中作了说明。

作者签名：

缝避日期；圣翌1年童月止日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。

对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。

作者签名：

姓导师签名：

霍。

查日期：

坶月兰芝日中南大学硕士学位论文第一章绪论11研究背景与意义第一章绪论自从20世纪的70年代初mtel公司第一个推出4004MCU（MieroControlletunit）起到80年代初，是MCU技术高速发展的时期。

MCU技术的快速发展也刺激了MCU外围LSI器件的进步在80年代中期Intel公司将8051内核使用权互换或出售给世界各大著名IC制造商，这样8051变成了众多制造商支持的，发展出上百个品种的大家族。

8051在小中型应用场合很常见，已经成为单片机领域的实际标准在这个时期，MCU由8位，16位发展到32位，速度和集成度越来越高，再加上电子产品的少批量多品种化的趋势，高速低功耗以及小型化的要求，原来的电子系统中MCU的外围LSI和通用IC已适应不了这一技术上的变化lI20世纪中期以来，可编程ASIC以其现场可编程，高速，高集成度的优势充当了系统中新的积木块。

由McU，存储器和可编程AsIC这三个可编程的积木块组成的现代电子系统已经成为了趋势和潮流在可编程器件发展的潮流中，可编程器件从最初的由与或门组成的PAL，GAL发展到后来片内资源十分充足的FPGA（FieldProgrammableGateArray）CPLD（ComplcxProgrammableLogieDevice）。

PAL和GAL可编程逻辑器件只能实现简单的规模小的电子电路，而FPGA,CPLD很好的弥补了这一缺陷，它们的规模较大，可以代替通用的Ic芯片州由于FPGA的集成度较以前有很大地提高，因此鉴于传统的MCS51资源不可更改的缺点，很多公司都把设计出的511PCore集成到了FPGA内部【10l，这样就可以根据不同的需要对单片机的资源进行裁剪，优化。

因此能够设计出高效，实用的511PCore对于众多需要定制51单片机功能的厂商有着不同寻常的意义【I12单片机的发展状况自从上世纪70年代初世界第一块单片机的推出到现在已经有三十几年的历史了，在这短短的三十几年里，单片机的发展经历了好几次重要的飞跃，表现在如下几个方面单片机的处理位在逐渐翻倍，这意味着单片机处理数据的能力在不断提高，中南大学硕。

学位论文第一章绪论速度也越来越快，最初的四位单片机只能用于一些简单的控制场合，如家用电器，玩具等。

接着便出现了具有较快数据处理能力的八位单片机，八位单片机由于具有优异的性能，其运用领域也比四位单片机广阔的多【l”。

但是在某些需要适时较快数据处理的地方，八位单片机的速度还是达不到要求，这就又促使