基于FPGA的8051微控制器接口實(shí)現(xiàn)

1 引言

工廠自動化高度實(shí)現(xiàn)的今天，單片機(jī)8051的廣泛運(yùn)用使其需要與各種各樣的外圍設(shè)備相連接，而這些外圍設(shè)備各不相同，特別是它們的接口多種多樣。因而在運(yùn)用8051的時候，不得不考慮它與外圍設(shè)備的接口問題，而市售的接口電路大多只供某種特定的外圍設(shè)備使用，因此，在一些特殊的運(yùn)用場合下，用戶不得不自行設(shè)計(jì)它們之間的接口。現(xiàn)代可編程器件(如FPGA－Field Programmable Gate Array可編程門陣列)的快速發(fā)展，使得自己開發(fā)專用的接口變得非常簡單，同時自主知識產(chǎn)權(quán)IP(Intellectual Property)受到越來越多的關(guān)注，它們被廣泛運(yùn)用在片上系統(tǒng)SoC(System on a single Chip)的設(shè)計(jì)中，8051IP核就是其中的一種。本文就是采用Xilinx公司的FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)外圍器件與8051微控制器的接口，它可以和8051IP核一起集成在同一塊FPGA芯片上，從而使接口部分和用戶邏輯更緊密地結(jié)合。

2 接口功能

這里所說的接口功能主要是指微控制器和外圍設(shè)備之間的通信功能。該接口的設(shè)計(jì)采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行描述，而且源代碼運(yùn)用了大量的常量定義，用戶可以根據(jù)需要來更改這些常量的默認(rèn)值，直到用戶自己滿意為止，從而達(dá)到不同的需求。這種改變就相當(dāng)于在運(yùn)用軟件里更 改設(shè)置參數(shù)一樣簡單，而且FPGA具有重配置功能，這從而達(dá)到不同的需求。這種改變就相當(dāng)于在運(yùn)用軟件里更
改設(shè)置參數(shù)一樣簡單，而且FPGA具有重配置功能，使得硬件的升級或者系統(tǒng)方案的變更變得非常簡單。接口的整體框圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201706/349452.htm 8051微控制器與運(yùn)用邏輯之間的通信通過用戶可定義寄存器組完成，8051微控制器寫數(shù)據(jù)到用戶可定義寄存器組來配置和控制運(yùn)用邏輯。而運(yùn)用邏輯通過用戶可定義寄存器組向微控制器寫狀態(tài)信息和服務(wù)請求，從而完成微控制器與外圍設(shè)備之間的通信。

3 接口設(shè)計(jì)

8051微控制器接口芯片主要由以下模塊組成:地址解碼邏輯、總線接口狀態(tài)機(jī)、中斷邏輯、用戶可定義寄存器組、數(shù)據(jù)輸出多路選擇器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 8051微控制器接口信號定義

*ADDR[15:8]，輸入，微控制器地址總線的高8位;
*ADDR_DATA[7:0]，雙向，微控制器地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線;
*ALE_N，輸入，地址鎖存允許，微控制器控制信號，該信號有效表明目前在地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線上的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù);
*PSEN_N，輸入，程序存儲允許，微控制器控制信號，該信號有效表明目前的總線周期可以訪問外部程序存儲器;
*RD_N，輸入，微控制器進(jìn)行讀操作的閘門信號;
*WR_N，輸入，微控制器進(jìn)行寫操作的閘門信號;
*INT_N，輸出，中斷請求，運(yùn)用邏輯產(chǎn)生的中斷請求通過它向微控制器發(fā)送請求;
*CLK，輸入，同步時鐘信號，由系統(tǒng)提供，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖中未標(biāo)出;
*RESET，輸入，同步復(fù)位信號，有效時系統(tǒng)復(fù)位，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖中未標(biāo)出;

3.2 地址解碼邏輯模塊

8051微控制器接口芯片的解碼邏輯將當(dāng)前ADDR總線上的高位字節(jié)解碼作為器件地址，用它來和VHDL代碼里的BASE_ADDR常量進(jìn)行比較，如果相等，則表明BASE_ADDR指明的器件被選中，同時也包含由ALE_N提供時鐘的寄存器，用以從ADDR_DATA總線獲取地址低位字節(jié)，這個地址低位字節(jié)指明了在用戶可定義寄存器組里的寄存器地址。也就是說地址高位字節(jié)用來選擇從設(shè)備(這里將8051作為主設(shè)備)，而地址低位字節(jié)則用來選擇寄存器。

3.3 總線接口狀態(tài)機(jī)

該狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)是本接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是能否完成接口功能的主要控制模塊，只有功能完整、狀態(tài)協(xié)調(diào)的狀態(tài)機(jī)才能協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)有條不紊地工作。本狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將8051總線協(xié)議的文字描述轉(zhuǎn)換為有限狀態(tài)機(jī)來描述。本文所描述的8051執(zhí)行同步的總線周期，因此在外部設(shè)備和微控制器之間沒有設(shè)置握手信號，通過狀態(tài)機(jī)的有效控制來完成它們之間的通信。8051微控制器總線協(xié)議在狀態(tài)機(jī)理的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。在第一個周期里，微控制器將地址置于地址總線并激活A(yù)LE_N信號，它的有效表明地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線和ADDR[15:8]上的地址是有效地址。激活A(yù)LE_N后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移到地址解碼狀態(tài)(ADDR_DECODE)等待地址解碼邏輯模塊解碼地址并且判斷是否有器件被選通。若有器件被選中:如果這是寫周期，微控制器從地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線撤銷地址并放置所需要寫的數(shù)據(jù)到總線上，然后激活WR_N信號;如果這是讀周期，微控制器使地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線呈三態(tài)，并激活RD_N以告訴用戶邏輯可以將指定寄存器里的數(shù)據(jù)置于總線上。否則回到閑置狀態(tài)(IDLE)。對于選通的從設(shè)備，如果RD_N或WR_N有效，狀態(tài)機(jī)將轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)(DATA_TRS)。如果這是寫周期，從數(shù)據(jù)總線來的數(shù)據(jù)被鎖存于指定的寄存器中并使WR_N無效。若是讀周期，微控制器鎖存總線上的數(shù)據(jù)并使RD_N無效。若WR_N或RD_N始終有效，表明數(shù)據(jù)還沒有寫完或讀完，則停留在DATA_TRS狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)寫完或讀完為止。無論RD_N的無效還是WR_N的無效都將使?fàn)顟B(tài)機(jī)向結(jié)束周期狀態(tài)(END_CYCLE)改變。在此狀態(tài)下，地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線呈三態(tài)，微處理器使ALE_N無效來結(jié)束循環(huán)，從而回到閑置狀態(tài)IDLE，等待下一周期的到來。

3.4 用戶可定義寄存器組

該部分主要是提供給用戶自定義的寄存器組，可以根據(jù)需要進(jìn)行定義，主要用來為微控制器和運(yùn)用邏輯之間的通信提供寄存服務(wù)。同時它可以被定義為不同作用的寄存器，微控制器通過讀或者寫這些專用的寄存器來決定應(yīng)用的進(jìn)程和當(dāng)前狀態(tài)，而運(yùn)用邏輯通過它向微控制器發(fā)送服務(wù)請求。它的存在為該接口的通用性打下了基礎(chǔ)。

3.5 數(shù)據(jù)輸出多路選擇器和中斷邏輯模塊

數(shù)據(jù)輸出多路選擇器主要用來在整個讀周期里為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線提供所需的數(shù)據(jù)。中斷邏輯模塊是可以選擇的，它的定義主要是看微控制器是否允許用戶邏輯的中斷操作，這取決于用戶系統(tǒng)，可以根據(jù)需要設(shè)置中斷的個數(shù)和中斷的優(yōu)先權(quán)。

4 仿真分析和FPGA實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)功能的正確性，從設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)范到最后的布局布線的整個過程中，都需要進(jìn)行階段性的仿真和驗(yàn)證。鑒于該系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用層次化的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證仿真。將系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊(如上所述)，分別對其進(jìn)行RTL(寄存器傳輸級)級描述，并仿真驗(yàn)證。最后再進(jìn)行系統(tǒng)的綜合實(shí)現(xiàn)，即功能模塊的組裝。整個設(shè)計(jì)采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，而仿真驗(yàn)證則是自底向上的方法。限于篇幅，就不再單一的介紹每個模塊的VHDL設(shè)計(jì)方法和仿真驗(yàn)證結(jié)果。下面僅給出用Active HDL對系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證的結(jié)果，如圖4所示。仿真結(jié)果表明，該狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)滿足預(yù)期的功能，即能滿足8051微控制器總線協(xié)議的要求，因而能很好地和8051進(jìn)行通信，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的Vertex系列XCCV3004HQ240芯片，該芯片有豐富的可配置邏輯模塊CLBs(Configurable Logic Blocks)，大量的觸發(fā)器以及內(nèi)置的不占系統(tǒng)資源的塊RAM，系統(tǒng)最大工作頻率可達(dá)200MHz，并且內(nèi)置有延遲鎖相環(huán)DLL(Delay Locked Loop)，它可以減少時鐘傳輸?shù)乃p，實(shí)現(xiàn)通信的完全同步。在Synplify Pro環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行綜合，綜合結(jié)果表明其占用的片內(nèi)資源不到總資源的10％，選擇資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)過剩的Vertex系列的目的是為了在同一塊芯片內(nèi)同時集成8051IP核，完成兩者的綜合實(shí)現(xiàn)后，資源略有剩余，這為用戶的硬件升級和系統(tǒng)方案的變更提供了條件。

5 結(jié)束語


本設(shè)計(jì)充分利用了Vertex器件的LUTs(Look-Up Tables)替代觸發(fā)器和基本門電路搭建乘法器和加法器這兩個顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，節(jié)省了大量的觸發(fā)器資源，增加了器件利用率、布通率，DLL的運(yùn)用降低了布線延遲，實(shí)現(xiàn)了通信的完全同步。筆者采用Xilinx公司的FPGA芯片自行設(shè)計(jì)了8051IP核與外圍設(shè)備的接口，完成了8051與外圍設(shè)備之間的通信功能，并且源代碼中的參數(shù)可調(diào)，可作為IP軟核提供給8051開發(fā)用戶，使得用戶從多變的外圍接口實(shí)現(xiàn)中解脫出來，讓用戶致力于具體的運(yùn)用設(shè)計(jì)，以縮短開發(fā)周期。這種實(shí)現(xiàn)接口通信的方法適用范圍廣、成本低廉、體積小、可靠性高，具有很高的工程實(shí)用價值。