89C51 CPU核及片上系统设计

湖州师范学院课程设计总结报告课程名称工程项目设计训练设计题目 8051/89C51 CPU核及片上系统设计专业班级姓名指导教师报告成绩《工程项目设计训练》任务书一、设计任务8051 IP软核应用系统构建完成流水灯的设计与模式选择二、设计要求(1)了解8051/89C51单片机软核基本功能和结构，熟悉K8051单片机核信号端口功能；(2)掌握K8051单片机软核实用系统构建和软件测试方法；三、器件和设备清单四、参考设计(1) K8051单片机软核基本功能和结构与前面介绍的CPU相同，K8051单片机核也含有8位复杂指令CPU，存储器采用哈佛结构，其结构框图如图所示。

K8051的指令系统与8051/2、8031/2等完全兼容，硬件部分也基本相同，例如可接64KB外部存储器，可接256字节内部数据RAM，含两个16位定时/计数器，全双工串口，含节省功耗工作模式，中断响应结构等等。

不同之处主要有：1、K8051是以网表文件的方式存在的，只有通过编译综合，并载入FPGA中才以硬件的方式工作，而普通8051总是以硬件方式存在的；2、K8051无内部ROM和RAM，所有程序ROM和内部RAM都必须外接。

从K8051结构模块框图可见，它包含了“数据RAM端口”和“程序存储器端口”，是连接外接ROM、RAM的专用端口（此ROM和RAM都能用LPM_ROM和LPM_RAM在同一片FPGA中实现）。

然而普通8051芯片的内部RAM是在芯片内的，而外部ROM的连接必须以总线方式与其P0、P2口相接（A T89S51的ROM在芯片内，CPU核外）。

程序存储器端口ALU I/O 端口定时器/计数器UART 串行口数据RAM 端口中断控制器特殊功能寄存器K8051结构模块框图3、以软核方式存在能进行硬件修改和编辑；能对其进行仿真和嵌入式逻辑分析仪实现实时时序测试；能根据设计者的意愿将CPU 、RAM 、ROM 、硬件功能模块和接口模块等实现于同一片FPGA 中（即SOC ）。

4、与普通8051不同，K8051的4个I/O 口是分开的。

例如P1口，其输入端P1I 和输出端P1O 是分开的，如果需要使用P1口的双向口功能，必须外接一些电路才能实现。

如图，K8051单片机的原理图实体图，下方是输入端，上方是输出端。

其主要端口的功能如表所示。

注意其中的双向口的表达方式。

K8051原理图实体图如图所示，单片机中的一个端口构成的双向口（P1口）电路连接方法。

图中电路调用了几个辅助元件，其中TRI是三态控制门，WIRE是普通接线，主要用于网络名转换。

K8051单片机I/O口设置成双向口的电路其中P1E是三态门控制信号，当执行从P1口的输入指令时，P1E[7..0]输出全为高电平，外部数据可以通过双向口P1[7..0]进入单片机的P1口的输入口P1I[7..0]，而当执行向P1口输出的指令时，若P1口的输出口P1O[7..0]中的位为低电平，则控制信号P1E[7..0]中对应的位也为低，故信号能顺利输出P1口；但当输出信号P1O[7..0]中的位为高电平时，则控制信号P1E[7..0]中对应的位也为高电平，故这时除非P1[7..0]对应的FPGA的外部端口被上拉，否则将呈现纯高阻态。

因此，当使用单片机的双向口时须设置FPGA的端口为上拉！设置方法是，选择Assignmemts菜单中的settings项，选择左栏的Fitter Settings项，再点击右侧的More Settings按纽，在弹出的窗口（图右侧图）下栏中选择Weak PullUp Resistor，并于上方的Setting栏选择On。

注意，如果选择了Enable Bus-Hold Circuitry为ON，则不能选上拉为ON，前者是选择输出总线的最后输出为锁定。

设置FPGA的总线口输出为上拉(2)K8051单片机软核实用系统构建和软件测试K8051核在接上了ROM和RAM后就成为一个完整的8051或8052单片机了，如图是K8051核实用系统的最基本构建顶层原理图，主要由4个部件构成：K8051基本实用电路1、K8051核。

图中的CPU_Core即K8051单片机核，由VQM原码表述：CPU_Core.vqm，可以直接调用。

该元件可以与其他不同语言表述的元件一同综合与编译。

2、嵌入式锁相环PLL50。

其输入频率设置为20MHz，输出频率所在90MHz上，K8051能接受的工作时钟频率上限取决于FPGA的速度级别。

3、程序ROM，LPM_ROM。

采用ROM容量的大小也取决于FPGA所含的嵌入RAM 的大小。

图14中设置的ROM容量是4K字节，对于一般的应用足够了。

此ROM可以加载HEX格式文件作为单片机的程序代码。

HEX程序代码可以直接使用普通8051单片机程序编译器生成（设已加载了TEST1.HEX）。

4、数据RAM，LPM_RAM。

图14中设置的LPM_RAM容量是256字节。

高128字节须用间接寻址方式访问。

图中，P0I[7..0]、P1I[7..0]、P2I[7..0]、P3I[7..0]分别为P0、P1、P2、P3口的输入口；P0O[7..0]、P1O[7..0]、P2O[7..0]、P3O[7..0]分别为P0、P1、P2、P3口的输出口。

《8051/89C51 CPU核及片上系统设计》总结报告一．设计思路1.本次课程设计中，先使QuarterII设计正弦信号发生器，熟悉软件的使用。

2.设计简单的一秒钟二极管的亮灭，熟悉掌握开发板及其软件调试和引脚设定3.中和上述实验设计最终方案，实现开发板流水灯的设计，使其能够使用按键的方法实现流水灯三种模式的变化其实验思路为：按下第一个模式控制键后，8个LED数码管会从做到右一个一个亮灯，知道所有灯都亮，LED显示器会显示数字“1”：再按一下模式控制键，8个数码管会以灯0.5秒亮一次，下一个0.5秒灭，而下一个数码管同时点亮，使每个数码管都亮灭过，LED 显示器会显示数字“2”；最后再一次按模式件，8个LED数码管会分别从两边向中间亮，直到所有的灯都点亮，而LED显示器会显示数字“3”二．设计框图1.正弦信号发生器结构图2.流水灯三．模块分析流水灯：1.锁相环对锁相环进行设置：锁相环是由鉴相器（phase detector ）、环路滤波器（loop filter ）和压控振荡器（voltage control oscillator,VCO ）组成的一种相位负反馈系统，鉴相器的输出信号v D (t) 是输入信号v i (t) 和振荡器输出信号v o (t) 的相位差，该误差电压信号通过环路滤波器滤除高频分量和噪声后，输出低频信号v C (t) 作为CO 的控制信号。

在控制电压v C (t) 作用下，VCO 输出信号v o (t) 的频率发生变化并反馈到鉴相器。

由此可知，锁相环是一传递相位的反馈系统，系统变量是相位，系统响应是对输入输出信号的相位而不是对其幅度而言。

锁相环的基本原理是，利用负反馈使输出信号频率与输入信号频率之间存在精确度相关（一般是成倍数关系），所以可以用在收发机中本振信号的产生，信号恢复，调频信号调解。

2.RAM ：在Quarter中也可以直接生成相应模块，并且对其相关的引脚和频率进行设定。

设置成：3.ROM：在Quarter中也可以直接生成相应模块。

如上图所示，在设置ROM时要加载在keil软件中生成的.hex文件四．电路调试在进行电路调试前要先进行引脚设置，如下图：在设置完后进行下载测试:调试成功后的效果为：1.效果图为1秒亮灭图：2.流水灯实验，实现3种模式的变化模式一：实现灯从左到右亮灯，再从右到左亮灯模式二：实现灯从左到右亮，从右到左亮，但是每个等亮时，都有0.5秒的停顿模式三：灯从两边向中间亮起五．程序清单1.正弦信号发生器程序：Counter8:LIBRARY IEEE;--8位计数器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY counter8 ISPORT (FIN:IN STD_LOGIC;--时钟信号CLR:IN STD_LOGIC;--清零信号DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));--计数结果END counter8;ARCHITECTURE behav OF counter8 ISSIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(FIN,CLR)BEGINIF CLR='1' THENCQI<=(OTHERS=>'0');--清零ELSIF FIN'EVENT AND FIN='1' THEN CQI <= CQI+1;END IF;END PROCESS;DOUT<=CQI;END behav;2.一秒亮灭程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit led=P1^0;uint i,j;void delayms(uint xms){uint i,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=415;j>0;j--);}void main ( ){while(1){led=~led;delayms(500);}}2.灯一秒的亮灭程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit led=P1^0;uint i,j;void delayms(uint xms){uint i,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=415;j>0;j--);}void main ( ){while(1){led=~led;delayms(500);}}3.流水灯程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit key1=P2^0;uchar a,b;uint i,j;uint x=0;unsigned char design[18]={0x00,0xff,0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF, 0x7F,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF,0xF7,0xFB,0xFD,0xFE};unsigned char design1[8]={0x81,0x42,0x24,0x18,0xe7,0xdb,0xbd,0x7e};void delayms(uint xms){for(i=xms;i>0;i--)for(j=415;j>0;j--);}void main ( ){P0=0;while(1){if(key1==0){delayms(5);if(key1==0){while(!key1); //按键释放检测x=x+1;P0=x;if(x >= 4)x=0;}}if(x==1){a=0x01;for(i=0;i<7;i++){P1=a;delayms(200);a=a<<1;a=a+0X01;}a=0x80;for(j=0;j<7;j++)P1=a;delayms(200);a=a>>1;a=a+0X80;} //实现流水灯来回闪烁}if(x==2){for (b=0; b<17; b++){delayms(200);P1 = design[b]; //读已定义的花样数据并写花样数据到P1口}}}if(x==3){for (b=0; b<8; b++){delayms(200);P1 = design1[b]; //读已定义的花样数据并写花样数据到P1口}}}}}六．感想此次课程设计主要是利用QuarterII，keil软件实现流水灯的多种变化，通过8051/89C51 CPU核及片上系统设计，再次熟悉了Quartus2 ，Keil软件，学习了8051/89C51单片机软核基本功能和结构，熟悉K8051单片机核信号端口功能，掌握了K8051单片机软核实用系统构建和软件测试方法等。