目錄 1 目 錄 摘要 . 3 . 4 第一章 緒論 . 5 成電路設(shè)計簡介 . 5 成電路發(fā)展簡史 . 5 成電路設(shè)計流程 . 6 成電路設(shè)計方法 . 8 言簡介 . 8 件描述語言 . 8 言 . 9 51 單片機(jī)簡介 . 10 片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展 . 10 51 單片機(jī) . 11 發(fā)工具的選擇 . 11 發(fā)工具 . 11 司的 I . 12 司的 I . 12 司的 . 12 他輔助工具 . 13 次畢業(yè)設(shè)計的意義及目標(biāo) . 13 畢業(yè)設(shè)計的意義 . 13 畢業(yè)設(shè)計的目標(biāo) . 14 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 . 15 51 單片機(jī)的總體結(jié)構(gòu) . 15 51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) . 15 片機(jī)的引腳描述 . 15 51 片內(nèi)總體結(jié)構(gòu) . 17 51 單片機(jī)的指令分解 . 19 序 . 19 令分解 . 20 部分模塊的初步劃分 . 22 體設(shè)計思想 . 22 模塊的劃分 . 22 模塊的簡單說明 . 24 第三章 譯碼 /控 制模塊的實(shí)現(xiàn) . 26 目錄 2 碼 /控制模塊設(shè)計思想 . 26 塊功能 . 26 計思想 . 26 碼 /控制模塊的實(shí)現(xiàn)過程 . 27 口及控制信號 . 27 第四章 總結(jié)與展望 . 33 段成果和心得 . 33 足與展望 . 33 在的不足 . 33 進(jìn)意見 . 34 附錄 . 35 參考文獻(xiàn) . 35 摘要 3 摘要 司生產(chǎn)的其中一個單片機(jī)系列的名稱。該系列單片機(jī)誕生于 1980 年，功能強(qiáng)大、應(yīng)用方便，已成為單片機(jī) 領(lǐng)域的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。而 言則是應(yīng)用廣泛的一種硬件描述語言，目前越來越多的廠商、科研機(jī)構(gòu)在使用 言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。 本文詳細(xì)介紹應(yīng)用 51兼容單片機(jī)開發(fā)的過程，包括指令的分解、模塊的劃分以及功能的實(shí)現(xiàn)等。其中，重點(diǎn)講述控制 /譯碼模塊的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： 硬件描述語言，機(jī)器周期，指令周期 is of a 980. It be so it of is a is by to to a is of of of so it go on of of 第一章 緒論 5 第一章 緒論 成電路設(shè)計簡介 成電路發(fā)展簡史 自 1958 年美國德克薩斯 儀器公司 (明集成電路（ 簡稱 ，隨著硅平面技術(shù)的發(fā)展，二十世紀(jì)六十年代先后發(fā)明了雙極型和 兩種重要的集成電路，它標(biāo)志著由電子管和晶體管制造電子整機(jī)的時代發(fā)生了量和質(zhì)的飛躍，創(chuàng)造了一個前所未有的具有極強(qiáng)滲透力和旺盛生命力的新興產(chǎn)業(yè)集成電路產(chǎn)業(yè)。 回顧集成電路的發(fā)展歷程，我們可以看到，自發(fā)明集成電路至今 40多年以來， 從電路集成到系統(tǒng)集成 這句話是對 品從小規(guī)模集成電路（ 今天特大規(guī)模集成電路（ 展過程的最好總結(jié)，即整個集成電路產(chǎn)品 的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)（ 片上系統(tǒng)（ 過程。在這歷史過程中，世界 業(yè)為適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了三次變革 。 第一次變革：以加工制造為主導(dǎo)的 業(yè)發(fā)展的初級階段。 70 年代，集成電路的主流產(chǎn)品是微處理器、存儲器以及標(biāo)準(zhǔn)通用邏輯電路。這一時期 造商（ 場中充當(dāng)主要角色， 計只作為附屬部門而存在。這時的 計和半導(dǎo)體工藝密切相關(guān)。 計主要以人工為主， 統(tǒng)僅作為數(shù)據(jù)處理和圖形編程之用。 業(yè)僅處在以生產(chǎn)為導(dǎo)向的初級階段。 第二次變革： 司與 計公司的崛起。 80 年代，集成電路的主流產(chǎn)品為微處理器（ 微控制器（ 專用 這時，無生產(chǎn)線的 計公司（ 標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線（ 結(jié)合的方式開始成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新模式。 隨著微處理器和 的廣泛應(yīng)用和普及（特別是在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域）， 業(yè)已開始進(jìn)入以客戶為導(dǎo)向的階段。一方面標(biāo)準(zhǔn)第一章 緒論 6 化功能的 難以滿足整機(jī)客戶對系統(tǒng)成本、可靠性等要求，同時整機(jī)客戶 則要求不斷增加 集成度，提高保密性，減小芯片面積使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產(chǎn)品的性能價格比，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，得到更多的市場份額和更豐厚的利潤；另一方面，由于 細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，軟件的硬件化已成為可能，為了改善系統(tǒng)的速度和簡化程序，故各種硬件結(jié)構(gòu)的 門陣列、可編程邏輯器件（包括 標(biāo)準(zhǔn)單元、全定制電路等應(yīng)運(yùn)而生，其比例在整個 售額中 1982 年已占 12；其三是隨著 具（電子設(shè)計自動化工具）的發(fā)展， 計方法引入 計之中，如庫的概念、工藝模擬參數(shù)及其仿真概念 等，設(shè)計開始進(jìn)入抽象化階段，使設(shè)計過程可以獨(dú)立于生產(chǎn)工藝而存在。有遠(yuǎn)見的整機(jī)廠商和創(chuàng)業(yè)者包括風(fēng)險投資基金（ 到 市場和發(fā)展前景，紛紛開始成立專業(yè)設(shè)計公司和 計部門，一種無生產(chǎn)線的集成電路設(shè)計公司（ 設(shè)計部門紛紛建立起來并得到迅速的發(fā)展。同時也帶動了標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線（ 崛起。 第三次變革： 四業(yè)分離 的 業(yè) 90 年代，隨著 興起， 業(yè)跨入以競爭為導(dǎo)向的高級階段，國際競爭由原來的資源競爭、價格競爭轉(zhuǎn)向人才知識競爭、密集資本競爭。以 中心來擴(kuò)大設(shè)備投資的競爭方式已成為過去。如 1990 年，美國以 代表，為抗?fàn)幦毡拒S居世界半導(dǎo)體榜首之威脅，主動放棄場，大搞 半導(dǎo)體工業(yè)作了重大結(jié)構(gòu)調(diào)整，又重新奪回了世界半導(dǎo)體霸主地位。這使人們認(rèn)識到，越來越龐大的集成電路產(chǎn)業(yè)體系并不有利于整個 業(yè)發(fā)展， 分 才能精， 整合 才成優(yōu)勢。于是， 業(yè)結(jié)構(gòu)向高度專業(yè)化轉(zhuǎn)化成為一種趨勢，開始形成了設(shè)計業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)、測試業(yè)獨(dú)立成行的局面。 計企業(yè) 則 更 加 接近市場和了解市場，通過創(chuàng)新開發(fā)出高附加值的產(chǎn)品，直接推動著電子系統(tǒng)的更新 換代；同時，在創(chuàng)新中獲取利潤，在快速、協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)上積累資本，帶動半導(dǎo)體設(shè)備的更新和新的投入； 計業(yè)作為集成電路產(chǎn)業(yè)的 龍頭 ，為整個集成電路產(chǎn)業(yè)的增長注入了新的動力和活 力。 成電路設(shè)計流程 現(xiàn)代集成電路設(shè)計的基本流程如下圖所示： 第一章 緒論 7 從圖中可以看出，集成電路設(shè)計過程是從頂向下的過程，其流程大致如下： 1行為設(shè)計 硬件設(shè)計 者根據(jù)客戶的功能定義進(jìn)行行為設(shè)計，對各個電路功能模塊用硬件描述語言（ 成行為級描述。 2布局規(guī)劃和優(yōu)化、仿真 對上一步中完成的描述進(jìn)行布局規(guī)劃，在進(jìn)行算法優(yōu)化的同時，通常還有進(jìn)行向 描述的轉(zhuǎn)換，使現(xiàn)有的 具能夠?qū)Σ季忠?guī)劃的結(jié)果進(jìn)行邏輯綜合。 3綜合 綜合（ 的目標(biāo)是將前面得到的硬件描述語言轉(zhuǎn)換為與具體硬件相對應(yīng)的網(wǎng)表文件。 4邏輯設(shè)計與邏輯圖輸入 將網(wǎng)表文件與廠家工藝庫相對應(yīng)，將網(wǎng)表文件轉(zhuǎn)換成真正的硬件連接關(guān)系。 第一章 緒論 8 5布局布線 對上一步的硬件連接關(guān)系進(jìn)行布局布線 ，這有點(diǎn)類似于在 計中使用 行 的設(shè)計。 6后仿真 對網(wǎng)表文件進(jìn)行綜合后仿真，看設(shè)計能否滿足要求。 7版圖生成與驗(yàn)證 對布局布線生產(chǎn)的版圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 8芯片制造 將版圖交付廠家進(jìn)行芯片的流片生產(chǎn)。 成電路設(shè)計方法 常用的集成電路設(shè)計方法有從頂向下（ 從底向上（ 設(shè)計方法。 從頂向下（ 計方法 設(shè)計者根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)容，把系統(tǒng)劃分為單元，然后再把每個單元劃分為下一層次的單元，直到設(shè)計的最底層為止。 從底向上（ 計方法 這種方法可以看作是從頂向下設(shè)計的逆向過程。設(shè)計者也是從系統(tǒng)級開始對設(shè)計進(jìn)行逐次劃分，但劃分過程必須從存在的基本單元觸發(fā)，設(shè)計的最底層是已經(jīng)制造出來的單元或者是其他項(xiàng)目已開發(fā)好的單元以及可外購得到的單元。 言簡介 件描述語言 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路的規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度也越來越高。對于如此大規(guī)模的和負(fù)責(zé)程度的電路設(shè)計問題，傳統(tǒng)的門級描述方法顯得過于瑣碎和難以管理。 硬件描述語言（ 是順應(yīng)這種情況而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。它是一種能夠以形式話方式描述電路結(jié)構(gòu)和行為并用于模擬和綜合的高級描述方式，具有類似于高級程序設(shè)計語言的抽象能力。 第一章 緒論 9 語法和語義定義都是為描述硬件的行為服務(wù)的，它可以自然的描述硬件中并行的、非的規(guī)的特性以及時間關(guān)系。一般認(rèn)為， 該具有以下能力： 能在希望的抽象層次上進(jìn)行精確而簡練的描述； 易于產(chǎn)生用戶手冊、服務(wù)手冊等文件，以便多人配合工作； 在不同層次上都易于形成用于模擬和驗(yàn)證的設(shè)計描述； 在自動設(shè)計系統(tǒng)中（例如高層次綜合、硅編譯器等）可作為設(shè)計輸入 ； 可以進(jìn)行硬、軟件的聯(lián)合設(shè)計，消除硬、軟件開發(fā)時間上的間隔； 易于修改設(shè)計和把相應(yīng)的修改納入設(shè)計文件中； 在希望的抽象層次上可以建立設(shè)計者與用戶的通信界面。 言 從 生之日起，各個 商和科研機(jī)構(gòu)都在建立和使用自己的電路硬件描述語言。這些硬件描述語言各具特色，逐步成為描述硬件電路的重要手段。然而，隨著 用的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)，各種非標(biāo)準(zhǔn)間存在的差異已成為束縛設(shè)計者選擇最佳的設(shè)計環(huán)境和進(jìn)行相互交流的巨大障礙。因此，要求 準(zhǔn)化的呼聲越來越高。 由美國國防部在 20世紀(jì) 70 年代末提出的 劃的產(chǎn)物。它最初的設(shè)計思想是定義一種語言用來交換硬件設(shè)計數(shù)據(jù)，在開發(fā)過程中得到了計算機(jī)工業(yè)界、 業(yè)界和集成電路生產(chǎn)廠商的支持，包容了現(xiàn)代硬件描述語言應(yīng)具備的全部特征。 1987 年 12 月， 氣和電子工程師協(xié)會）正式接受 為國際標(biāo)準(zhǔn)（ 87）； 1993 年，又對 了若干修改，增加了一些 功能（ 93）。目前， 3 的擴(kuò)展工作扔在進(jìn)行之中。 概括的說， 有以下主要優(yōu)點(diǎn)： 有強(qiáng)大的功能，覆蓋面廣，描述能力強(qiáng)，可用于從門級、電路級直至系統(tǒng)級的描述、仿真和綜合。 持層次話設(shè)計，可以在環(huán)境下，完成從簡練的設(shè)計原始描述，經(jīng)過層層細(xì)化求精，最終獲得可直接付諸生產(chǎn)的電路級或版圖參數(shù)描述的全過程。 良好的可讀性。它可以被計算機(jī)接受，也容易被讀者理解。用 寫的源文件，既是程序又是文檔，既是技術(shù)人員直接交換信息的文件，又可作為合同簽約者之間的 文件。 良好的可移植性。作為一種已被 認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)上已成為通用的硬件描述語言，可以在不同的設(shè)計環(huán)境和系統(tǒng)平臺中使用。 第一章 緒論 10 使用 以延長設(shè)計的生命周期。因?yàn)?硬件描述與工藝技術(shù)無關(guān)，不會因?yàn)楣に囎兓姑枋鲞^時。與工藝技術(shù)有關(guān)的參數(shù)可通過 供的屬性加以描述，工藝改變時，只需要修改相應(yīng)程序中的屬性參數(shù)即可。 持對大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用。 以描述復(fù)雜的電路系統(tǒng)，支持對大規(guī)模設(shè)計進(jìn)行分解，由多人、多項(xiàng)目組來共同承擔(dān)和完成。標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)則 和風(fēng)格，為設(shè)計的再利用提供了有力的支持。 片機(jī)簡介 片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)已滲透到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)療、軍事娛樂等每一個領(lǐng)域以及生活中的每一個角落，其應(yīng)用的廣度和深度已經(jīng)到了令人無不為之咋舌驚嘆的地步！當(dāng)今，工程技術(shù)人員在設(shè)計開發(fā)一個系統(tǒng)或一個新產(chǎn)品的時候，首先考慮的是如何應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)以提高市場競爭能力，計算機(jī)已經(jīng)成為最重要的工具。盡管的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，但是，在工控領(lǐng)域、在日益追求小而精，輕而薄的自動化控制器月動 化儀器儀表、家電產(chǎn)品等方面， 仍有所不相適宜。而工業(yè)控制、儀器儀表、家電產(chǎn)品等市場廣闊，要求 技術(shù)與之相適應(yīng)。 在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生了。單片機(jī)（ 它的優(yōu)異的控制功能，在工控領(lǐng)域、智能化儀器儀表系統(tǒng)等日益顯示著強(qiáng)大的生命力。一小小的芯片（幾個平方厘米）便具有了計算機(jī)的基本功能，從而使工控系統(tǒng)、儀器儀表、家電產(chǎn)品等向智能化方向產(chǎn)生了飛躍。也正是由于這種原因，從 80 年代以來，無論是教學(xué)科研領(lǐng)域，還是工程開發(fā)部門，學(xué)習(xí)單片機(jī)，應(yīng)用單片機(jī)，新技術(shù)浪潮一浪 高過一浪。單片機(jī)技術(shù)也由最初的 8 位發(fā)展到 16 位和 32 位（ 息處理能力甚至超過了 0286），功能也由單一型發(fā)展到了豐富實(shí)用型。 單片機(jī)的發(fā)展大概經(jīng)歷了四個階段： 第一階段（ 1971 1974 年）： 1971 年 11 月，美國 司首先設(shè)計出 4 位微處理器 004，并且配有隨機(jī)存取存儲器 讀存儲器移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺 4 微型計算機(jī)。 1972 年 4月 司又研制成功了功能較強(qiáng)的 8 位微處理器， 008。在此期間，司也 研制成功了 處理器。從此拉開了研制單片機(jī)的序幕。 第一章 緒論 11 第二階段（ 1974 1978 年）：初級單片機(jī)階段。以 司的 48 為代表。這個系列的單片機(jī)集成有 8 位 行 I/O 口、 8 位定時 /計數(shù)器。 第三階段（ 1978 1983 年）：高性能單片機(jī)階段。在這一階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、 16 位定時器 /計數(shù)器。片內(nèi)量加大，尋址范圍可達(dá) 64K 字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機(jī)有 司的 51， 司的 6801 和 司的 。 第四階段（ 1983 年）： 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展和 16 位單片機(jī)推出階段。此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)及專用單片機(jī)，另一方面又不斷完善高檔 8 位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要。 51 單片機(jī) 在單片機(jī)發(fā)展過程中， 司扮演了重要角色。 司生產(chǎn)的其中一個單片機(jī)系列的名稱。該系列單片機(jī)誕生于單片機(jī)發(fā)展的第三階段，是在 48 的基礎(chǔ)上推出的增強(qiáng)型產(chǎn)品。屬于這一個系列的單片機(jī)芯片有許多，包括 8031， 8051， 8751 等等。 由于 51 單片機(jī)功能強(qiáng)大、應(yīng)用方便，在小到中型應(yīng)用場合常常見其身影。 8051 更是成為單片機(jī)領(lǐng)域的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。 80 年代中期， 051 的內(nèi)核使用權(quán)以專利互換和出售的形式轉(zhuǎn)給世界上許多著名的 造廠商，如 門子、 ，這樣 8051 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百個品種的大家族。而隨著硬件的發(fā)展，支持 51 系列的開發(fā)工具也越來越多，在編程語言的選擇上也越來越靈活（如 C、 語言）。 發(fā)工具的選擇 發(fā)工具 隨著 用的逐漸廣泛，各個廠商的 發(fā)工具也越來越多。常用的有 司的 I， I， 司 司的 司的 等。這些工具各有第一章 緒論 12 特點(diǎn)，各有優(yōu)勢。 司的 I 供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的全集成化設(shè)計環(huán)境，使設(shè)計者能對 計輸入、快速處理和器件編程。 的優(yōu)點(diǎn)主要表有： 與結(jié)構(gòu)無關(guān) 譯程序）支持從 供與結(jié)構(gòu)無關(guān)的 有強(qiáng)大的邏輯綜合與優(yōu)化功能。 全集成化 理和校驗(yàn)功能全部集成在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境下，可以加快動態(tài)調(diào)試，縮短開發(fā)周期。 豐富的設(shè)計庫 計者調(diào)用，其中包括 74系列的全部器件和多種特殊的邏輯宏單元（ 以及新型的參數(shù)化的巨單元（ 調(diào)用庫單元進(jìn)行設(shè)計，可以大大減輕設(shè)計工作量，設(shè)計周期成倍縮短。 缺點(diǎn)：由于 少語法均不支持。 司的 I I 是 能相當(dāng)強(qiáng)大，并提供 快 速設(shè)計軟件 幫助設(shè)計者加快可編程單芯片（ 計 。 包括 缺點(diǎn)：跟 司的 功能強(qiáng)大，支持方框圖（ 有限狀態(tài)機(jī)（ 編輯，操作簡單，使用方便。同時它提供了強(qiáng)大的時序仿真功能，并支持外掛 軟件進(jìn)行邏輯綜合、布局布線等。是進(jìn)行前端開發(fā)的最好的工具之一。 第一章 緒論 13 他輔助工具 在畢業(yè)設(shè)計中，還用到了其他一些開發(fā)工具，如 1系列單片機(jī)應(yīng)用程序的一款工具，支持匯編、 時支持軟件仿真，支持全速、單步調(diào)試，與單片機(jī)真正運(yùn)行環(huán)境相差無幾，而且可以很方便的觀測單片機(jī)內(nèi)各個寄存器的變化情況。 次畢業(yè)設(shè)計的意義及目標(biāo) 畢業(yè)設(shè)計的意義 目前我國的信息產(chǎn)業(yè)正在迅猛發(fā)展，但作為其支撐的集成電路產(chǎn)業(yè) 卻還出于比較落后的狀況。生存中向前發(fā)展的良性循環(huán)道路；我國目前生產(chǎn)的集成電路只能滿足國內(nèi)市場需求的 20%，更重要的是，關(guān)系到我國信息安全和信息產(chǎn)業(yè)需求的關(guān)鍵集成電路，如計算機(jī)的核心芯片、 線通信系統(tǒng)中的高速公路、 網(wǎng)關(guān)網(wǎng)卡電路、多媒體中的信息處理電路等，都幾乎是 100地從國外進(jìn)口地。這無疑極大地威脅這我國信息網(wǎng)絡(luò)乃至整個國家的安全；制約著我國微電子行業(yè)乃至整個信息行業(yè)的發(fā)展；限制著我國微電子產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外市場上的競爭力。 在 1999 年 8 月 20 日中共中央國務(wù)院關(guān)于加速技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展高 科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的決定中指出：“突出高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。在電子信息特別是集成電路設(shè)計與制造、網(wǎng)絡(luò)及通信、計算機(jī)軟件、數(shù)字化電子產(chǎn)品等方面加強(qiáng)高技術(shù)創(chuàng)新，形成一大批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、具有競爭有事的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)?！边@里集成電路設(shè)計與制造被放在電子信息領(lǐng)域高技術(shù)創(chuàng)新的第一位。根據(jù)這一精神，通信、計算機(jī)和多媒體家電等集成電路的設(shè)計和制造將被科技部納入“十五”高科技和公關(guān)的中大課題；系統(tǒng)芯片基礎(chǔ)研究將列為“自然科學(xué)基金”“十五”計劃的優(yōu)先資助領(lǐng)域；微電子電路設(shè)計被信息產(chǎn)業(yè)部列為我國“ 十五”規(guī)劃的重點(diǎn)發(fā)展方向。所有的這一切，都預(yù)示著一場集成電路設(shè)計與制造的大戰(zhàn)役即將在我國吹響進(jìn)軍號。 廣東省政府同樣對集成電路設(shè)計給予了充分的重視，并且在華南理工大學(xué)建立了廣東集成電路設(shè)計與培訓(xùn)中心。身為華工電子與信息工程系的一分子，必須掌握集成電路設(shè)計的一般方法，爭取以后為我國我省的集成第一章 緒論 14 電路發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。 畢業(yè)設(shè)計的目標(biāo) 本次畢業(yè)設(shè)計的目標(biāo)，是利用 言來開發(fā)與 8051 單片機(jī)兼容的 。并利用 司的 片進(jìn)行硬件驗(yàn)證和進(jìn)行各種兼容性測試。 由于 8051 單片機(jī)內(nèi)部 采用模塊結(jié)構(gòu)，因此本次設(shè)計任務(wù)也按照各個不同模塊來進(jìn)行劃分。本報告將著重介紹 8051模塊的劃分以及譯碼器部分的實(shí)現(xiàn)。 本次畢業(yè)設(shè)計的目標(biāo)是通過設(shè)計一個與 8051 單片機(jī)完全兼容的 核，初步掌握集成電路設(shè)計的一般方法，了解集成電路設(shè)計的流程，為日后設(shè)計更復(fù)雜的 核做好準(zhǔn)備。 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 15 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 片機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 片機(jī)的基本組成如下： 1、一個 8 位的微處理器。 2、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 128B/256B），用以存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù)。 3、片內(nèi)程序存儲器 4用以存放程序，數(shù)據(jù)和表格。 4、四個 8 位并行 I/O 口 個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 5、兩個定時器 /計數(shù)器，每個都可以設(shè)成對外計數(shù)和內(nèi)定時方式。 6、五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 7、一個全雙工 用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O，用于串行通訊。 片機(jī)的引腳描述 列單片機(jī)通常采用 40 引腳的雙列直插封裝（ 式）。其管腳排布如圖 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 16 圖 面按其引腳功能分為四部分?jǐn)⑹鲞@ 40 條引腳的功能。 1 主電源引腳 40 腳）接 5V 電壓； 20 腳）接地。 2 外接晶體引腳 19 腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 18 腳）接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 3控制或與其他電影復(fù)用引腳 9 腳）： 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)服務(wù)。 電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 數(shù)據(jù)不丟失。 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時， 許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， 仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機(jī)器周期兩次 效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次 有效的 號將不出現(xiàn)。 31 腳）：當(dāng) 保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 17 但在 序計數(shù)器）值超過 0，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。 4輸入 /輸出（ I/O）引腳 （ 39 腳 32 腳）：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，在外接存儲器時，與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用。 （ 1 腳 8 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O 口。 （ 21 腳 28 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴(kuò)展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址。在對 程和程序驗(yàn)證期間，它接受高 8 位地址。 （ 10 腳 17 腳）：是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，在 ，這 8個引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。 作為第一功能使用時，作為普通 I/O 口用，功能和操作方法與 相同。 作為第二功能使用時，各引腳定義如表 2 1 所示。 表 2 1 口的第二功能定義 口線 引腳 第二功能 0 行輸入口） 1 行輸出口） 2 部中斷 0） 3 部中斷 1） 4 時器 0 外部輸入） 5 時器 1 外部輸入） 6 部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） 7 部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） 51 片內(nèi)總體結(jié)構(gòu) 51 片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)框圖如圖 示。它主要由九個部件組成，這九個部件是： 1 個 8 位的中央處理器； 4只讀存儲器；128 字節(jié) /256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（ 32 條 I/O 線； 2 個或 3 個定時器/計數(shù)器； 1 個具有 5 個中斷源、 2 個優(yōu)先級的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；用于多處理機(jī)通信、 I/O 擴(kuò)展或全雙工 用異步接收發(fā)器）的串行口；特殊功能寄存器（ 以及一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。這九個部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 上外圍芯片的結(jié)構(gòu)第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 18 模式。但在功能單元的控制上卻有了重大變化，采用了特殊功能寄存器（ 集中控制方法。 圖 簡化的結(jié)構(gòu)框圖。 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 19 圖 片機(jī)的指令分解 序 一條指令可以分解為若干基本的微操作。所謂微操作，通常是指 鐘沿或有效電平）上能夠完成的操作。在執(zhí)行程序時，單片機(jī)指令經(jīng)過指令譯碼，被翻譯成一系列微操作控制信號，控制相應(yīng)的單元完成一定微操作。而這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號，在時間上有嚴(yán)格的先后次序，這些次序就是計算機(jī)的時序。 時序是非常重要的概念，它指明了單片機(jī)內(nèi)部以及內(nèi)部與外部互相聯(lián)系所遵循的規(guī)律。 圖 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 20 圖 振蕩周期：指為單片機(jī)提供定時信號 的振蕩源的周期。 時鐘周期：又稱狀態(tài)周期或 為時鐘發(fā)生器是上述的 2分頻觸發(fā)器，所以它是振蕩周期的兩倍，時鐘周期被分為兩個節(jié)拍，即 2節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期， 時通常完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘的后半周期， 部寄存器與寄存器間的傳輸一般在此狀態(tài)發(fā)生。 機(jī)器周期：一個機(jī)器周期由 6個狀態(tài)（ 12個振蕩脈沖）組成，即 6個時鐘周期， 12個振蕩周期。可依次表示為 態(tài) 1拍 1）、 態(tài) 1拍 2）、 態(tài) 6拍 1）、 態(tài) 6拍 2），每 個節(jié)拍持續(xù)一個振蕩周期，每個狀態(tài)持續(xù) 2個振蕩周期?？梢杂脵C(jī)器周期把每一條指令劃分成若干個階段，每個機(jī)器周期完成某些規(guī)定操作。 指令周期：是執(zhí)行一條指令所占用的全部時間，一個指令周期通常含有 1 4個機(jī)器周期。 在 51指令系統(tǒng)中，指令長度為 1 3字節(jié)，除 法）和法）指令外，單字節(jié)和雙字節(jié)指令都可能是單周期和雙周期的， 3字節(jié)指令都是雙周期的，乘法指令為 4周期指令。 令分解 通過對單片機(jī)指令的具體分解，我們可以詳盡的了解單片機(jī)的整個運(yùn)作過程，了解各個寄存器在指令執(zhí)行過程中 所起的作用，以及數(shù)據(jù)在各個時間上的流向等。這對模塊的劃分、有限資源的重復(fù)利用以及各個模塊的具體實(shí)現(xiàn)均有指導(dǎo)性的作用。 51的指令從功能上來劃分，大概可以分成 算術(shù)操作類指令 、 邏輯操作類指令 、 數(shù)據(jù)傳送類指令 、 布爾變量操作類指令 和 控制程序轉(zhuǎn)移類指令 等 5大類指令。這些指令從長度上看有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)之分，從執(zhí)行時間上看有單周期、雙周期和 4周期指令的不同。分解指令，必須找出各個指令的共同點(diǎn)，以盡量少而合理的微操作來實(shí)現(xiàn)指令的具體執(zhí)行過程。 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 21 對所有的指令來說，前 6個狀態(tài)是基本相同的，即先從指令 令操作碼，經(jīng)過兩級譯碼，形成微操作控制信號，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)地址譯碼，形成操作數(shù)有效地址。在第 4個狀態(tài)，如果是多字節(jié)指令，要從 果是間接尋址，則要形成新的數(shù)據(jù)有效地址。第 5個狀態(tài)進(jìn)行指令執(zhí)行的第 1步驟。第 6個狀態(tài)協(xié)會結(jié)構(gòu)。對于單周期指令，在此執(zhí)行完畢，返回第 1狀態(tài)，開始執(zhí)行下一條指令；否則，還要經(jīng)過下面的狀態(tài)，完成指令的執(zhí)行。指令執(zhí)行過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換見圖 圖 里以算術(shù)操作類指令 , 細(xì)介紹指令的具體分解： 指令名稱 , 器碼 00101節(jié)數(shù) 1 指令周期 1 狀態(tài) 下降延， 高，將 應(yīng)地址處內(nèi)容鎖存到指令寄存器 1序計數(shù)器加一，同時把 2 序計數(shù)器的值更 新到 )和 )，同時取 位，算出 8+r 據(jù)得出的 讀出數(shù)據(jù)到 二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 22 下降延， 高，將 應(yīng)地址處內(nèi)容鎖存倒指令寄存器 4于是單字節(jié)指令，故程序計數(shù)器不再加一 序計數(shù)器的值更新到 加結(jié)果送回 6 部分模塊的初步劃分 體設(shè)計思想 通過對單片機(jī)指令的分解，我們對單片機(jī)的整個運(yùn)作過程有了比較深入的認(rèn)識 。由于單片機(jī)指令的執(zhí)行過程是一個周而復(fù)始的取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程，微處理器可以看成是典型地帶有數(shù)據(jù)路徑地有限狀態(tài)機(jī)，其中時鐘電路與控制單元組合構(gòu)成了有限狀態(tài)機(jī)，指令的運(yùn)算在數(shù)據(jù)路徑中進(jìn)行，外圍電路構(gòu)成 協(xié)處理器。 確定系統(tǒng)狀態(tài)以后，可以著手編寫芯片的行為級描述及進(jìn)行模塊的劃分。這里遵循的方法是從頂向下（ 方法。即根據(jù)系統(tǒng)功能劃分好各個模塊；然后對各個模塊進(jìn)行具體代碼的編寫，并對各個模塊進(jìn)行單獨(dú)的功能測試；最后將完成的各部分模塊統(tǒng)一、連接起來進(jìn)行總的調(diào)試。 模塊 的劃分 在 8051 單片機(jī)內(nèi)核中，各元件間通過總線來傳遞數(shù)據(jù)和控制信息，并且各元件之間有嚴(yán)格的時序關(guān)系；為了充分的利用硬件資源，指令將被劃分為各種微操作，并且要使各指令之間擁有共同的微操作，以降低譯碼的復(fù)雜度。因此，在本 51 內(nèi)核的設(shè)計中，將按照由頂向下的設(shè)計方法，用人工的方法對芯片進(jìn)行劃分。劃分的過程分兩個步驟，首先把芯片分割為控制器和數(shù)據(jù)路徑（控制器如譯碼器 據(jù)路徑如 ），再進(jìn)一步細(xì)劃為一系列寄存器級的功能模塊。 第一步劃分的目的在于利用已經(jīng)驗(yàn)證過的算法，把芯片的控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算 部分分離。分離后的結(jié)果如圖 示。對控制部分來講，分離后的第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 23 模型應(yīng)能夠?qū)Υ_定指令發(fā)出缺點(diǎn)的微操作緒論；對數(shù)據(jù)路徑來講，要確定運(yùn)算自用分配，也就是把執(zhí)行具體指令的微操作緒論分配到一定的硬件資源上，并能夠根據(jù)微操作控制信號的狀態(tài)完成相應(yīng)的操作。 圖 二步則根據(jù) 8051 單片機(jī)所具備的功能以及其內(nèi)部實(shí)際模塊的劃分為寄存器級單元，同時確定芯片的體系。本次畢業(yè)設(shè)計的 8051 內(nèi)核從功能上主要劃分為 塊（ 譯碼器模塊（ 、計數(shù)器模塊（ 中斷控制模塊（ 通用異步接收 /發(fā)送控制器模塊（ 算術(shù)運(yùn)算單元控制模塊（ 組成。 內(nèi)部數(shù)據(jù)交換可以采用信號賦值形式或者采取總線結(jié)構(gòu)。考慮到以后51 內(nèi)核功能擴(kuò)展的需要，以及讓模塊之間的關(guān)系更加清晰，決定采用總線結(jié)構(gòu)作為內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的形式。 譯碼方式也有集中譯碼和分別譯碼兩種備選方案。一般地講，集中譯碼方案要比分別譯碼方案要好。首先，從功能劃分的角度來看，集中譯碼使得電路復(fù)雜性降低，電路及其模型直觀易懂，有利于電路自動綜合；其次 ，當(dāng)需要給電路增加新功能時，若采用集中譯碼方案，只需對硬件作較小的改動就可以實(shí)現(xiàn)。但是，對于較簡單的硬件，采用分別譯碼方案，電路規(guī)模要小一些。 綜上所述，本次設(shè)計采用集中譯碼和總線結(jié)構(gòu)的方式來構(gòu)建 51 單片機(jī)內(nèi)核。其結(jié)構(gòu)圖如圖 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 24 R A M 模 塊R O M 模 塊I n t e r r u p t 模 塊T i m e r 模 塊D e c o d e r 模 塊A L U 模 塊 U A R T 模 塊L a t c hL a t c hL a t c hL a t c P 2地 址 總 線數(shù) 據(jù) 總 線控 制 總 線中 斷 申 請指 令P 1P 3外 部 中 斷 ， 時 鐘 源中斷標(biāo)志中斷標(biāo)志清中斷標(biāo)志串 口 通 訊時 鐘復(fù) 位時 鐘 總 線地 址 / I 各模塊的簡單說明 塊： 本模塊的主要負(fù)責(zé)從 取得指令代碼 /操作數(shù)。模塊中的寄存器包括程序計數(shù)器 地址寄存器 內(nèi)部 4K 8 譯碼 /控制模塊（ 產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部的同步信號。 在每個 譯碼并把該指令的各個時刻的控制信號存入寄存器，再在接下來的每個時刻把相應(yīng)的控制信號放到控制總線上（指令從 始執(zhí)行），控制各個模塊協(xié)調(diào)工作，完成指令操作。 在每個 刻檢查如果有中斷申請，則判斷如果當(dāng)前指令不是如果是訪問 話，由中斷部分控制等到下一條指令開始執(zhí)行后再申請中斷）則響應(yīng)該中斷，在接下來的 3 個指令周期內(nèi)把 棧，和跳到相應(yīng)的入口處。 塊： 模塊中包括 128 字節(jié)的 堆棧指針 第二章 系統(tǒng)總體規(guī)劃與構(gòu)思 25 復(fù)位時把堆棧指針 7H。一個 81成 定時 /計數(shù)器模塊： 模塊中包括寄存器 其實(shí)現(xiàn)的功能包括完成 4種工作方式的定時 /計數(shù)器；每個 中