FGPA实现单片机8051

开发环境硬件：ALTERA Cyclone IV系列 EP4CE6F17C8 开发板

IED： Quartus (Quartus Prime 21.1) Lite Edition （免费 ）

内核IP：MC8051 Core IP V1.6

MC8051 Core IP简介

功能特点

目录结构

顶层框架

MC8051 IP Core 顶层框架图如下图所示，内核IP与外设的连接关系，其中用虚线标识连接的表示数量是可选。

顶层信号列表

信号

描述

clk

系统时钟. 只用时钟上升沿.

reset

异步复位所有触发器.

all_t0_i

定时器/计数器0 输入.

all_t1_i

定时器/计数器 1 输入.

all_rxd_i

串口数据接收.

int0_i

中断 0 输入.

int1_i

中断1 输入.

p0_i

P 0 输入.

p1_i

P 1 输入.

p2_i

P 2 输入.

p3_i

P 3 输入.

all_rxdwr_o

rxd 数据输出/输出方向控制 (高= 输出) .

all_txd_o

串口数据输出.

all_rxd_o

串口工作模式1数据输出.

p0_o

P 0 输出.

p1_o

P 1 输出.

p2_o

P 2 输出.

p3_o

P3 输出.

VHDL设计文件结构

FPGA嵌入MC8051

建立Quartus工程

打开 Quartus (Quartus Prime 21.1) Lite Edition出现界面如下：

建立新的工程

建立名为mcu_8051的工程

选择器件

工程创建完毕

创建顶层文件

MC8051 ROM和RAM模块生成

ROM生成

在右侧导航栏输入ROM

选择生成路径和语言类型

设置 ROM 的信息，数据宽度 8bits，数据个数 4069，其余默认

取消 ROM 的输出寄存器，时钟使能信号及异步清零信号不用选

指定 ROM 的初始化数据文件也即单片机程序编译出来的*.hex 文件。对于 ROM 模块，是一定要指定初始化数据的，要不然向导就不能完成所以选择之前创建的那个空白hex文件mcu_8051.hex 文件。

选择需要生成的文件

点击Finish至此ROM创建完毕

MC8051 中 RAM 模块包括内部 RAM 和扩展 RAM，生成方法和 ROM 一般无二，下面简述一下参数设置

内部 RAM 的参数设置,数据宽度为 8bits，数据个数为 128；取消 RAM 的数据输出寄存器，同时选中时钟使能信号端

点击Finish至此RAM创建完毕

修改MC8051 Core IP源文件

将MC8051 Core IP源码文件复制到工程目录下，由于默认提供的源码中的顶层设计文件中的存储模块（ROM、RAM）是仿真时使用的， 现在要进行硬件测试，所以必须改成我们实际用到的 ROM、RAM 模块，在”./vhdl”目录下的 mc8051_p.vhd 文件，将原文件中 ROM、RAM 模块调用的代码修改：

component mcu_8051_ram

port (

clock : in std_logic;

data : in std_logic_vector(7 downto 0);

q : out std_logic_vector(7 downto 0);

address : in std_logic_vector(6 downto 0);

wren : in std_logic;

clken : in std_logic);

end component;

component mcu_8051_rom

port (

clock : in std_logic;

q : out std_logic_vector(7 downto 0);

address : in std_logic_vector(11 downto 0));

end component;

mc8051_top_struc.vhd 文件，新增标识有“--新增”语句。然后将原文件中 ROM、RAM 模块调用部分完成了源文件更新修改。

添加MC8051核IP到工程

选择非配置文件

创建PLL锁相环模块

修改时钟，由于电路板上的有源晶振频率为 50MHz，所以输入频率设为 50MHz

一路默认知道第6页，选择c0输出频率为18MHz，时钟相移和占空比不改变

PLL生成完毕

顶层文件编写

module mcu_8051(

input Clk50M, //时钟源，50M

input Rst_n, //复位端口

input int0_i, //mc8051外部中断0输入

input int1_i, //mc8051外部中断1输入

input all_t0_i, //mc8051计数器0输入

input all_t1_i, //mc8051计数器1输入

input [7:0]p0_i, //mc8051端口0输入

input [7:0]p1_i, //mc8051端口1输入

input [7:0]p2_i, //mc8051端口2输入

input [7:0]p3_i, //mc8051端口3输入

output [7:0]p0_o, //mc8051端口0输出

output [7:0]p1_o, //mc8051端口1输出

output [7:0]p2_o, //mc8051端口2输出

output [7:0]p3_o, //mc8051端口3输出

input all_rxd_i, //mc8051串口接收端口

output all_rxd_o, //mc8051串口方式0时输出端口

output all_txd_o, //mc8051串口发送端口

output all_rxdwr_o //rxd 输入/输出方向控制信号（高电平输出）

);

wire Clk18M;

//例化PLL模块

pll pll(

.inclk0(Clk50M),

.c0(Clk18M)

);

//例化mc8051核

mc8051_top mc8051_top_inst(

.clk(Clk18M),

.reset(~Rst_n), //mc8051为高电平复位，因此将复位按键状态取反接到reset上

.int0_i(int0_i),

.int1_i(int1_i),

.all_t0_i(all_t0_i),

.all_t1_i(all_t1_i),

.p0_i(p0_i),

.p1_i(p1_i),

.p2_i(p2_i),

.p3_i(p3_i),

.p0_o(p0_o),

.p1_o(p1_o),

.p2_o(p2_o),

.p3_o(p3_o),

.all_rxd_i(all_rxd_i),

.all_rxd_o(all_rxd_o),

.all_txd_o(all_txd_o),

.all_rxdwr_o(all_rxdwr_o)

);

endmodule

对工程分析和综合

引脚的锁定

编译烧录FPGA

点击“start”开始烧录

之后就打开Keil进行8051正常C语言代码编程编译出来Hex文件配置到FGPA中即可验证，简单的MC8051齐活，后续外设IP可以基于进行开发。

单片机hex烧录

单片机最小应用系统及外部扩展总线

单片机的最小应用系统，是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。

最小应用系统的功能取决于单片机芯片的技术水平。对于片内有ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统即为配有晶振、复位电路和电源的单个单片机;对于片内无ROM/EPROM的单片机，其最小系统除了外部配置晶振、复位电路和电源外，还应当外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用。

8051/8751最小应用系统

8051/8751单片机内含有ROM/EPROM，用8051/8751单片机构成最小应用系统时，只需将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图7-1所示，因没有外部存储器扩展，这时接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/O口使用。

用8051/8751芯片构成的最小系统简单、可靠。但由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。同时，P0、P1、P2口的应用与开发环境差别较大。8051的应用软件须依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入，故8051应用系统一般用作大批量生产的应用系统。

图7-1　8051和8751最小应用系统电路

8031最小应用系统

8031单片机片内无程序存储器，因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM。图7-2所示为8031外接程序存储器的最小应用系统。

图7-2　8031最小应用系统

与8051/8751最小应用系统一样，也必须有复位及时钟电路。片选线

直接接地，表明选择外部存储器;片外4K字节单元地址要求地址线12根(A 0 ～A 1 1)，由P0和P2.0～P2.3组成;程序存储器的取指信号为

;地址锁存器的锁存信号为ALE。 7.1.3 MCS-51系列单片机的外部扩展总线

在进行系统扩展中，首先需要面对的问题是如何与外围芯片连接。为了方便解决这一问题，往往利用地址锁存器将单片机形成三总线结构，即地址总线(Address Bus)、数据总线(Data Bus)和控制总线(Control Bus)，如图7-3所示。

➢ 地址总线： P2口作为地址总线的高8位，在访问16位的地址时，用于输出16位地址的高8位A 15 ～A 8 ;P0口分时复用地址/数据总线，地址锁存器用于锁存低8位地址A 7 ～A 0 。

图7-3　单片机三总线结构

提示

地址总线的根数决定了单片机可以访问的存储单元数量和I/O端口的数量。n条地址线可以产生2 n 个地址编码。

常用的地址锁存器为74LS373，构成地址总线时，它的8个输入端与P0口相连，其使能端连接单片机的ALE端。ALE信号为1时，P0口输出的数据被地址锁存器锁存，用作地址信号A 7 ～A 0 ;ALE信号为0时，P0口用于传输指令或数据(此时地址锁存器中的地址信号保持不变，能够保证数据传输给正确的地址)。

➢ 数据总线： P0口用作数据总线，数据总线是双向的，既可以由单片机传到外部芯片，也可以由外部芯片传入单片机。

➢ 控制总线： 控制总线主要负责对芯片的选通以及读/写等控制。引脚功能已在第二章中进行了详细介绍，这里不再赘述。

相关问答

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