高性能嵌入式MCU内核设计与功能扩展

摘要

随着信息技术的发展，作为嵌入式系统的核心，微处理器以其灵活，功能强大等优势，已广泛应用在信息技术的各个领域。无论是家电产品和数字信号处理领域，还是卫星发射导弹制导都离不开微处理器。嵌入式微控制器的典型代表是8051单片机，这种8位（8根数据线，8位指令）的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
　　本课题的内容是在研究与理解传统80C51核的基础上，通过引入流水线架构，对程序控制器进行硬布线改造，并扩展外围功能接口，设计实现一款高性能嵌入式MCUHD8051。该MCU芯片内部集成只读存储器(FlashROM)、随机存储器(RAM)、定时/计数器(Timer/counter)、I/O(input/output)、串行口(UART)、乘累加(MAC)及I2C控制器等各种必要功能和外设。
　　本文详细阐述了HD8051单时钟/机器周期的指令流水的实现方式，并对内核中控制单元、算数逻辑运算单元、定时器单元、串口传输单元、端口单元、存储器寄存器控制单元及外围扩展功能接口乘累加器、I2C的设计实现均做了详尽的阐述。本文使用verilog语言对各功能单元与外围接口进行RTL描述。在完成设计后，通过modelsim对各功能单元与接口进行仿真验证，仿真结果表明，所设计的MCU的各功能模块的功能时序达到了设计要求，乘累加单元MAC的片内集成使得MCU很好地满足了现今控制领域对高速数字信号的处理的迫切需求，同时I2C控制器的引入丰富了MCU的应用领域，通过扩展此类功能接口也很好地体现出单片机向SOC过渡的发展趋势。通过FPGA验证，与传统12个周期的80C51内核比较，在相同时钟频率下单周期指令运行效率为原来的12倍;整个指令集平均运行效率为原来8051的8倍左右，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与国内外现状

1．2 论文内容及结构

第2章 传统80C51单片机分析

2．1 传统8051单片机基本结构

2．2 8051指令分类

2．2．1 数据传送指令

2．2．2 算数运算指令

2．2．3 逻辑操作和环移指令

2．2．4 控制转移指令

2．2．5 位操作指令

2．3 8051寻址方式

2．3．1 寄存器寻址

2．3．2 直接寻址

2．3．3 立即寻址

2．3．4 寄存器间接寻址

2．3．5 变址寻址

2．3．6 相对寻址

2．3．7 位寻址

第3章 HD8051内核设计

3．1 项层结构与设计层次

3．2 HD8051的流水架构

3．2．1 引入流水架构

3．2．2 流水线冲突解决

3．3 控制单元(Control Unit)

3．3．1 控制器原理

3．3．2 硬布线控制器与微程序控制器的比较

3．3．3 HD8051控制器实现

3．4 算数逻辑单元(ALU)

3．4．1 ALU功能描述

3．4．2 ALU硬件实现

3．5 定时器单元(Timer)

3．5．1 定时器功能描述

3．5．2 定时器实现

3．6 串口传输单元(UART)

3．6．1 串口传输功能描述

3．6．2 串口传输单元实现

3．7 端口单元(Ports)

3．7．1 端口功能描述

3．7．2 端口单元实现

第4章 HD8051功能扩展

4．1 乘加单元(MAC)

4．1．1 乘累加单元概述

4．1．2 MAC操作流程

4．1．3 MAC操作实例

4．1．4 乘加单元实现

4．2 I2C总线控制单元

4．2．1 I2C总线控制单元概述

4．2．2 仲裁和同步逻辑

4．2．3 I2C数据传输方式

4．2．4 I2C总线控制单元实现

第5章 HD8051仿真与验证

5．1 仿真验证目标

5．2 仿真验证模型

5．3 生成测试向量

5．4 仿真结果展示

5．4．1 并行I／O口仿真验证

5．4．2 HD8051_core基本指令集仿真验证

5．4．3 定时器Timer0／Timer1仿真验证

5．4．4 串口UART仿真验证

5．4．5 乘累加器MAC仿真验证

5．4．6 I2C控制器仿真验证

5．5 FPGA验证

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果