MC8051單片機IP核的FPGA實現與應用

2．3．5 并行I／O端口
為了便于IC設計，MC805l IP核的I／0口不提供復用功能，包括4個8位輸入輸出口、串行接口、計數器輸入端和擴展存儲器接口。如果要想將。MC8051 IP核的并行I／O端口改為雙向I／0端口，設計時可以添加一些外圍邏輯電路來實現。其基本電路結構如圖5所示。圖中的2個D觸發器起同步輸入信號的作用(mc805l_core的輸入I／O不做同步處理)，也可以不用。上拉電阻是必要的，因為I／0端口輸出高電平是靠上拉電阻實現的。

2．4 MC8051其他說明
(1)MC8051 IP核的定時器和串口波特率的計算與標準8051一樣，由系統時鐘經12倍分頻獲得計數時鐘。
(2)外部中斷信號是經兩級寄存器做同步處理后輸入的。
(3)MC805l_core的輸入I／0不做同步處理，必要時可自行添加，如圖5所示。
(4)寫應用程序時，I／O端口如果沒有做成雙向端口，而是輸入和輸出分開的，應特別注意諸如Pl=一P1、P1^O=P1^0這樣的I／0取反操作是無效的，因為讀回的值不是I／O寄存器的值，而是輸入引腳的狀態。

3 MC8051的RTL封裝
利用綜合工具Synplify Pro軟件實現對MC8051核的RTL封裝，從而生成最終所需的MC8051 IP核(．vqm文件)。
3．1 MC8051存儲模塊生成
MC8051中所需的存儲模塊：內部RAM、擴展RAM和ROM。其中內部RAM和ROM是必要的，內部RAM固定為128字節，ROM最大可選64 K字節，鑒于FPGA片上RAM資源有限，這里選用4 K字節(可根據需要修改)；擴展RAM是可選，最大也可以達到64 K字節，這里選用2 K字節。
由于采用Altera公司的FPGA來實現，所以可以利用Al―tera公司的集成開發環境Quartus II來創建ROM、RAM模塊。在具體的FPGA實現中，可根據不同廠家的器件，用廠家提供的工具來生成ROM和RAM，或者采用HDL描述實現。
3．2 MC8051 IP核RTL封裝
由于用的MC8051 IP核源代碼頂層設計文件中的存儲模塊(RAM、ROM)是仿真時使用的，實際應用設計時，必須改成實際應用中用到的RAM、ROM模塊(也就是前面生成的RAM、ROM模塊)。
(1)打開源代碼中的mc805l_p．vhd程序包文件，將原文件中的RAM(包括內部RAM、擴展RAM)、ROM元件例化語句全部替換成實際應用設計的程序代碼；
(2)打開源代碼中的mc805l_top_stru．vhd文件，將原文件中的RAM(包括內部RAM、擴展RAM)ROM元件端口映射語句全部修改成應用設計的端口映射。因為實際應用中RAM、ROM的容量與MC8051核中存儲器容量不一致及控制信號的差異，需要修改實際應用中RAM、ROM的地址線及控制信號線的端口映射。
(3)新建Synplify Pro工程，將修改后的MC8051 IP核的VHDL文件添加到工程中。選擇綜合的目標FPGA器件，設置相關綜合參數，生成MC8051 IP核的RTL封裝文件．vqm，其綜合后的RTL圖如圖6所示。

(4)因為VHDL文件編譯是有順序的，所以在向SynplifyPro工程添加VHDL源代碼文件時，應注意的是：首先添加MC805l_p．vhd文件，然后添加其他文件，最后添加mc805l_top_．vhd和mc8051_top_strut．vhd文件。注意文件名后為_cfg．vhd的配置文件可以不添加到工程中，前面生成的RAM、ROM源代碼文件也不必添加到工程里面。
(5)綜合編譯成功后，需要檢查頂層設計是否正確，這時可通過RTL圖來檢查。在RTL圖中可看到MC8051 IP核的頂層結構圖。在RTL圖中主要檢查ROM、RAM模塊的連線是否正確，是否符合實際應用設計。

4 MC8051 IP核應用構建
采用Ahera公司的FPGA實現，可以利用Ahera公司的集成開發環境0uartus II構建實際應用系統。
4．1 MC8051硬件系統構建
在QuartusⅡ中新建應用工程，創建頂層圖形設計文件并保存。
(1)將MC8051 IP核進行RTL封裝時用Quartus II創建的RAM、ROM模塊文件添加到工程中；
(2)在工程中調用FPGA自帶的PLL數字鎖相環模塊，將目標系統板上的時鐘調整到MC805l IP核的應用時鐘頻率。MC805l IP核經Quartus II綜合編譯后，查看時序分析報告，其最高運行頻率為18．96 MHz(每次編譯都可能不同，I／0分配不同結果可能不同)，因此系統時鐘不能超過時序報告的時鐘最高頻率(即fmax)。可以選擇18 MHz，利用PLL對目標系統板上的時鐘進行分頻；
(3)將Synplifyr Pro綜合生成的RTL封裝文件．vqm拷貝到Quartus II工程文件目錄下，并添加到工程中。然后再將添加．vqm文件生成MC8051_top．bsf圖形文件；
(4)打開創建的應用設計頂層圖形設計文件，將前面生成的PLL模塊、MC8051_top模塊添加到頂層設計文件中。添加輸入/輸出引腳，并對引腳命名，連接引腳與各模塊．設置相關編譯參數。生成FPGA的配置文件*．sof。其實際應用系統頂層原理圖如圖7所示。

可將并行I／O端口設計成雙向I／O端口，以節約FPGA的引腳資源，其方法參見圖5。根據實際應用的需要，利用FPGA剩余的資源，添加其他邏輯模塊，與MC8051 core模塊、PLL模塊一起構成應用系統。這里只討論MC8051 IP核的FPGA實現。
4．2 MC8051應用程序創建
在MC8051應用系統建立后，根據具體應用編寫應用程序。可以是C語言程序，也可以是匯編語言程序。MC8051的應用程序與標準的8051應用程序完全兼容，可以采用熟悉的開發工具進行應用程序的編寫。在編寫完成、仿真調試通過后，利用編譯工具編譯生成．hex文件，供固化ROM使用。
4．3 MC8051實際應用系統實現
將生成的．hex應用程序文件拷貝到Quartus II工程文件目錄下，替代原創建ROM存儲器模塊時使用的初始化．hex文件。然后重新編譯Quarius II工程生成FPGA的配置文件．sof，將應用程序代碼嵌入(同化)到ROM中。最后利用Quartus II的Programmer將FPGA的配置文件．sof下載到FPGA或EPCS中，實現MC8051的實際應用系統。

5 結語
本文在分析了MC805lIP Core的結構原理，設計層次，內核各組成模塊及參數設置的基礎上，詳細論述了MC8051 IP核的FPGA實現與應用的實際設計步驟。試驗驗證，根據需求修改后的MC8051 IP核，能很好滿足對8051MCU的應用需求，而且其性能比標準8051 MCU高，系統集成度也比采用標準8051 MCU構成的應用系統高。因此，MC8051 IP核在基于可編程邏輯和MCU的應用領域中具有廣泛的應用前景。