基于FPGA的MCS51核的VHDL语言

本文以研究嵌入式微处理器为主，自主地设计了能够运行MCS-51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。