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单片微型计算机外设模块设计技术研究

2020-12-02阅读(381)

单片微型计算机外设模块设计技术研究

论文摘要

本文利用自顶向下的正向设计方法,研究使用Verilog HDL语言设计兼容Intel MCS-51系列单片机的外围设备模块。整个设计流程中,设计软件选用Mentor公司的Modelsim编译仿真软件、Synplicity公司的Synplify PRO综合软件及Altera公司的Quartus FPGA开发平台,在软件开发环境中完成单片微型计算机外设模块的前端代码设计、功能仿真验证、最终综合于Altera公司Cyclone系列FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片上,实现与Intel MCS-51完全兼容的HP-51型单片微型计算机外围设备模块。本文首先介绍了单片微型计算机的发展历史、应用方向、发展趋势以及大规模数字集成电路一般的设计流程;接着详细说明了本项目设计的HP-51型单片微型计算机的特点、架构及其指令、时序和中断系统,并重点分析说明了该型单片微型计算机的外设模块的功能、结构及工作方式;然后详细说明了串行通信接口、定时/计数器两个外设模块的设计过程,并给出了外设模块各子功能模块的输入输出端口、部分HDL源代码、详细的模块功能仿真波形图和RTL级电路图。本文对传统的串行通信接口进行了两点的改进:首先在串行接口接收数据前,先对串行数据进行过滤噪声干扰处理;接着通过一个自适应波特率发生器自动侦测出串行数据波特率,直接可以将波特率除数输入给串行通信接口控制寄存器。同时将除去噪声干扰的纯净串行数据输入给串行通信接口,这样大大增强了串行口的抗噪声性能。这也是本文的创新点所在。利用Verilog HDL硬件描述语言编写设计源代码,并且在设计过程中进行充分的仿真和验证,本文所采用的设计思想、设计方法都是围绕着功能正确性、可重用性及可移植性等几个原则展开的。采用硬件描述语言设计电子系统是近年来十分流行的方法,非常适合于描述大规模数字集成电路系统,特别是在SoC（System on Chip）设计中。本文设计的外设模块具有较好的可复用性,完全可以应用于与8051工业标准相兼容的其他单片机设计中。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 嵌入式系统
  • 1.3 IC 设计中的硬件描述语言及其仿真与综合
  • 1.3.1 硬件描述语言
  • 1.3.2 集成电路的典型设计流程
  • 1.4 本文的结构安排
  • 第二章HP-51 单片机的体系结构及其外围设备模块设计技术研究
  • 2.1 综述
  • 2.2 HP-51 型单片微型计算机内核体系结构
  • 2.2.1 CPU 部分
  • 2.2.2 I/O 端口
  • 2.2.3 外围设备模块
  • 2.2.4 特殊功能寄存器（SFR）
  • 2.3 HP-51 单片机工作时序
  • 2.4 HP-51 单片机指令集
  • 2.5 HP-51 单片机中断及中断响应
  • 2.6 HP-51 单片微型计算机串行通信接口设计技术研究
  • 2.6.1 通信的基础知识
  • 2.6.2 串行通信接口结构
  • 2.6.3 串行通信接口工作方式
  • 2.6.4 串行通信接口波特率设定
  • 2.6.5 串行通信接口的中断及中断响应
  • 2.7 HP-51 单片微型计算机定时计数器设计技术研究
  • 2.7.1 定时计数器简介
  • 2.7.2 定时计数器的寄存器组设计
  • 2.7.3 定时计数器的工作模式
  • 2.7.4 定时计数器的中断及中断响应
  • 2.8 本章小结
  • 第三章 串行通信接口模块电路设计实现
  • 3.1 串行通信接口模块的输入输出端口
  • 3.1.1 输入端口
  • 3.1.2 输出端口
  • 3.2 串行通信接口模块功能划分
  • 3.3 串行通信接口子功能模块的电路设计及其功能仿真
  • 3.3.1 寄存器寻址子模块电路设计
  • 3.3.2 RB8 位寻址子模块电路设计
  • 3.3.3 TI 位寻址控制电路
  • 3.3.4 RI 位寻址控制电路
  • 3.3.5 时钟控制模块电路设计
  • 3.3.6 起始位检测模块电路设计
  • 3.3.7 发送接收数据位计数器模块电路设计
  • 3.3.8 串行通信模块的发送模块设计
  • 3.3.9 串行通信模块的接收模块设计
  • 3.4 串行通信接口模块整体综合
  • 3.5 对串行通信接口的进一步研究
  • 3.5.1 抗噪声串行数据接收电路的设计
  • 3.5.2 自适应串行数据波特率发生器的电路设计
  • 3.5.3 小结
  • 3.6 串行通信接口的应用
  • 第四章 定时计数器模块电路设计实现
  • 4.1 定时计数器的输入输出端口
  • 4.1.1 定时计数器模块输入端口
  • 4.1.2 定时计数器模块输出端口
  • 4.2 定时计数器模块的功能划分
  • 4.3 定时计数器子功能模块的电路设计及其功能仿真
  • 4.3.1 时钟发生器子功能模块电路设计
  • 4.3.2 下降沿检测子功能电路模块设计
  • 4.3.3 寄存器寻址控制子功能电路模块设计
  • 4.3.4 时钟控制逻辑子功能电路模块设计
  • 4.3.5 中断请求及响应控制子功能电路模块设计
  • 4.3.6 寄存器计数逻辑子功能电路模块的设计
  • 4.4 定时计数器模块整体综合
  • 4.5 定时/计数器的使用
  • 第五章 HP-51 单片机外围模块FPGA 综合验证
  • 5.1 可编程逻辑器件技术简介
  • 5.2 可编程技术的设计流程
  • 5.3 HP-51 型单片机外围设备模块的FPGA 综合
  • 5.4 外围设备模块的FPGA 验证
  • 第六章 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文

    • 相关论文文献

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