一种高速MCU的设计及其在数据通讯中的应用

论文摘要

从我国当前信息产业发展的要求和实际出发，针对新型嵌入式系统的研究和开发已经成为我们国家IT行业中的热点，嵌入式系统的研究和设计具有很重要的意义。 本文首先介绍了国内外单片机的发展历程和设计水平及研究现状，主要的工作是在对标准8051单片机进行分析和考察的基础上，指出标准8051由于是单总线结构，指令的执行周期是12个时钟周期，在运行程序时，导致了很多空闲状态；其次，由于是单总线结构，就存在在任意时刻只能接收或发送某一单元的数据，而其他单元则处于等待状态，造成了时间上的延长。为了解决以上问题，结合微处理器的应用需求，设计了一种与标准8051指令兼容的、可缩短指令执行周期的高速MCU—WQ8051。与标准8051的不同之处在于它是4总线结构，指令执行周期就变为4个时钟周期，较标准8051缩减了很多，大大提高了运算速度。文中着重进行了其内部ALU模块、BIU模块、Controller模块的结构和性能的设计和分析，在RTL级（Register Transfer Level）采用Verilog语言进行描述，经过综合工具得出它们的内部电路图。然后针对MCU在不同寻址方式下的指令执行周期进行了仿真，得到了正确的结果。接下来采用Xilinx公司的30万门FPGA（型号是Xilinx Spartan-ⅡE）对设计进行了验证，验证结果表明达到了预先的设计要求。最后针对它在工业控制中的作用，提出了WQ8051在智能数据通讯中的具体应用。 本文提出的4总线结构的MCU适用于所有标准MCS-51系列单片机，具有普遍意义，适用于高速MCU芯片设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 单片机发展历史
• 1.2 我国单片机发展历程
• 1.3 本论文的主要工作
• 第2章 嵌入式系统设计
• 2.1 嵌入式系统
• 2.1.1 嵌入式系统概念
• 2.1.2 嵌入式系统的特性
• 2.1.3 嵌入式系统的实时操作系统
• 2.2 嵌入式系统设计方法
• 2.2.1 嵌入式系统设计方法的演化背景
• 2.2.2 嵌入式系统的设计方法
• 2.3 嵌入式系统设计的层次
• 2.4 嵌入式系统的测试技术
• 第3章 嵌入式微处理器
• 3.1 嵌入式微处理器
• 3.1.1 嵌入式微处理器特点
• 3.1.2 嵌入式微处理器分类
• 3.2 嵌入式微控制器
• 3.2.1 嵌入式微控制器特点
• 3.2.2 嵌入式微控制器分类
• 3.2.3 PIC微控制器
• 第4章 中央处理单元CPU
• 4.1 运算器
• 4.1.1 运算器的组成
• 4.1.2 运算器结构分类
• 4.1.3 运算器构成形式
• 4.1.4 定点运算器的实现方案
• 4.2 控制器
• 4.2.1 控制器的组成
• 4.2.2 控制器的控制方式
• 4.2.3 控制器的功能
• 4.3 CPU的主要寄存器
• 4.4 CPU的内部数据通路
• 第5章 WQ8051设计和仿真
• 5.1 WQ8051的结构设计
• 5.1.1 四总线结构设计
• 5.1.2 CPU设计和分析
• 5.1.3 存储器模块结构设计及版图分布
• 5.1.4 定时器／计数器模块设计和分析
• 5.1.5 串行接口设计和分析
• 5.2 标准8051与WQ8051周期比较
• 5.3 WQ8051在不同方式下的仿真
• 5.3.1 立即寻址
• 5.3.2 寄存器寻址
• 5.3.3 寄存器间接寻址
• 5.3.4 直接寻址
• 5.3.5 间接寻址
• 5.3.6 相对寻址
• 5.3.7 乘法指令
• 5.3.8 除法指令
• 5.3.9 片外RAM传送指令
• 5.4 FPGA验证
• 第6章 WQ8051在数据通讯中的应用
• 6.1 数据通讯
• 6.1.1 数据通讯的概念
• 6.1.2 数据通讯的方式
• 6.1.3 波特率和接收／发送时钟
• 6.2 WQ8051在智能仪表通讯中的应用
• 6.2.1 WQ8051串行接口的构成
• 6.2.2 硬件电路的实现
• 6.2.3 软件设计
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B FPGA验证程序