一款兼容MCS-51指令集的8位MCU IP核的研究与设计

摘要

MCU(Micro Control Unit)微控制器是微电子与计算机技术交叉研究的产物,自20世纪70年代产生以来在学术界与工业界一直是研究的热点。MCU广泛应用于国防、电器、测控系统、消费类电子产品等。
　　本文采用 top_down的设计方法设计一款 MCU芯片,此 MCU使用经典的MCS51指令集;MCU总线结构为数据总线和程序总线相分离的哈佛总线;经典的MCS51微控制器执行一条指令至少占用12个时钟周期,针对指令执行过程冗长的缺点,本文优化了 MCU指令的执行过程,设计的指令译码模块译码速度快,执行一条指令最高占用4个时钟周期,比经典的 MCS51微控制器的执行效率提高了6倍以上。本文用结构化的 Verilog语言描述 MCU的译码模块、算术逻辑运算模块等,因此结构清晰,易于扩展。经过验证可以作为嵌入式系统内核。
　　本文首先对 MCU做了简要地介绍,之后详细分析了 MCS51指令集,并根据指令的特点搭建 MCU内核的架构,设计了 MCU的主要模块,最后对设计的 MCU内核做仿真验证,验证结果显示本文所设计的 MCU内核完全兼容 MCS51指令集,功能正确。

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第一章 绪 论

1.1 MCU 的发展历程

1.2 MCU 的发展趋势

1.3 数字电路设计方法简述

1.4 论文的主要工作和章节安排

第二章 微控制器内核设计原理

2.1 微控制器的工作原理

2.2 微控制器的指令集

2.3 微控制器内核的地址分配

第三章 微控制器内核设计

3.1 微控制器整体模块

3.2 译码模块设计

3.3 寄存器模块设计

3.4 算术逻辑运算模块设计

3.5 操作码选择模块设计

3.6 ROM 及其地址选择模块设计

3.7 RAM 模块及其读写控制器设计

3.8 I2C 接口模块设计

第四章 微控制器的仿真验证

4.1 微控制器的指令仿真

4.2 I2C master 功能仿真

4.3 FPGA 验证

第五章 微控制器的综合

5.1 微控制器的综合实现

结束语

致谢

参考文献

研究成果