基于FPGA的MCS-51单片机的逻辑运算模块设计本科毕业设计

基于FPGA的MCS-51单片机的逻辑运算模块设计摘要MCS-51是Intel公司生产的其中一个单片机系列的名称。

该系列单片机诞生于1980年，功能强大、应用方便，已成为单片机领域的实际标准。

MCS-51单片机小巧灵活，成本低，易于产品化，方便地组成各种智能测试设备及各种智能仪器仪表。

其指令系统有各种控制功能用指令，很容易构成各种规模的应用系统，易扩展，可以很方便地实现多机和分布式控制。

而VHDL语言则是应用广泛的一种硬件描述语言，目前越来越多的厂商、科研机构在使用VHDL语言进行系统开发。

本文将采用具有学习能力强、兼容性能好及采用并行处理优点等的FPGA/CPLD为载体，应用灵活高效的VHDL语言对MCS－51兼容单片机进行编程、以EDA开发软件Quartus II 为设计平台，经过编译、调试、修改、仿真测试，实现MCS-51单片机的算术模块功能。

关键词：MCS-51单片机，VHDL，EDA，FPGAAbstractMCS-51 is an among those that the Intel company produce list slice the name of the machine series.Should series list slice the machine was born in 1980, the function be strong, application convenience, have become list slice machine realm of actual standard.The MCS-51 list slice the machine be cleverly made and vivid, the cost be low, be easy to a product to turn and expediently constitute various intelligence to measure, equipments and various intelligence instrument appearance.Its instruction system have various control the function use instruction, very easy constitute various scale of application system, easy expand, can very expediently realization many machine and distribute type control.But VHDL language then application extensive of the description language of a kind of hardware, currently more and more of manufacturer, research organization at usage the VHDL language carry on system development.This text has study ability the adoption strong, and permit function good and adoption proceed together processing advantage etc. of FPGA/CPLD in order to carry a body, application vivid efficiently of VHDL language to MCS －51 and permit list slice the machine carry on plait distance, with EDA development software Quartus II is design terrace, has been editted and translate, adjusted to try, modification, imitate true test, realization MCS-51 list slice the arithmetic mold of the machine piece function.Keyword:The machine, VHDL, EDA of the MCS-51 list slice, FPGA目录第一章绪论 (1)1.1 课程设计背景知识 (1)1.1.1 单片机的概述 (1)1.1.2 单片机的发展历程 (1)1.1.3 单片机的发展趋势 (1)1.1.4 单片机的特点及应用 (2)1.1.5 单片机面临的问题 (3)1.1.6 单片机与FPGA/CPLD的对比 (4)1.1.7 EDA技术设计方法系统级设计 (5)第二章单片机的结构原理 (8)2.1 单片机的内部模块功能 (8)2.2 MCS-51单片机的指令系统的实现原理 (10)第三章ALU的原理分析与实现工具 (12)3.1 ALU的原理分析 (12)3.2 用FPGA实现ALU的设计 (12)3.3 ALU的实现工具VHDL语言 (12)第四章MCS-51单片机的算术模块设计 (14)4.1 加/减法器设计 (15)4.2 乘法器设计 (19)4.3 除法器设计 (21)4.4 十进制调整器设计 (23)第五章总结与展望 (27)致谢 (28)参考文献 (29)第一章绪论1.1 课程设计背景知识1.1.1 单片机的概述单片机是大规模集成电路技术发展的产物，它将中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定时器/计数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因此单片机被称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。

目前单片机是计算机家族中重要的一员。

单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。

单片机具有功能强、体积小、价格低和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国防、科研及日常生活等各个领域。

1.1.2 单片机的发展历程单片机1974年，美国Fairchild公司研制出世界上第一台由两块集成电路芯片组成的单片微型计算机F8，从此单片机开始迅速发展。

从4位机和8位机到现在的16位机和32位机，单片机的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛。

单片机的发展历程通常可以分为以下几个阶段：（1）第一代单片机（1974—1976年）这是单片机发展的起步阶段。

在这个时期生产的单片机属4位机型，集成度低。

典型的代表产品有Intel 公司的4004四位单片机，主要应用于家用电器领域中。

（2）第二代单片机（1976—1978年）这是单片机的发展阶段。

这个时代生产的单片机属低、中档8位机型，片内集成有CPU、输入输出接口、定时器和ROM等功能部件，是8位机的早期产品，存储器容量小，性能低，目前已很少应用。

典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。

（3）第三代单片机（1979—1982年）这一代单片机的存储容量和寻址范围都有扩大，而且增加了中断源、并行I/O和定时器/计数器个数，集成了全双工串行通信接口电路。

代表产品有Intel公司的MCS-51系列机。

（4）第四代单片机（1982年以后）这是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。

16位单片机的特点是工艺先进、集成度高和内部功能强，代表产品有Intel公司的MCS-96系列等。

1.1.3 单片机的发展趋势随着大规模集成电路及超大规模集成电路的发展，单片机将向着更深层次发展，主要体现在以下几个方面：（1）高集成度一片单片机内部集成的ROM/RAM容量增大，增加了电闪存储器，具有掉电保护功能，并且集成了A/D、D/A转换器、定时器/计数器、系统故障监测和DMA电路等。

（2）引脚多功能化，随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，一脚多用的设计方案日益显示出其重要地位。

（3）高性能这是单片机发展所追求的一个目标，更高的性能将会使单片机应用系统设计变得更加简单、可靠。

（4）低功耗这将是未来单片机发展所追求的一个目标，随着单片机集成度的不断提高，由单片机构成的系统体积越来越小，低功耗将是设计单片机产品时首先考虑的指标。

1.1.4 单片机的特点及应用1. 单片机的特点：（1）可靠性高单片机采用三总线结构，抗干扰能力强，可靠性高。

（2）功能强单片机具有判断和处理能力，可以直接对I/O口进行各种操作（输入输出、位操作以及算术逻辑操作等），运算速度高，实时控制功能强。

（3）体积小、功耗低由于单片机包含了运算器等基本功能部件，具有较高的集成度，因此由单片机组成的应用系统结构简单、体积小、功能全。

电源单一，功耗低。

（4）使用方便由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单。

（5）性能价格比较高，易于产品化单片机具有功能强、价格便宜、体积小、插接件少、安装调试简单等特点，使单片机应用系统的性能价格比较高。

同时单片机开发工具很多，这些开发工具都具有很强的软硬件调试功能，使单片机的应用开发极为方便，大大缩短了产品研制的周期，并使单片机应用系统易于产品化。

2. 单片机的应用单片机的应用概括起来，主要有以下几方面：（1）单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地应用于各种智能仪器仪表中，简化了仪器仪表的硬件结构，增强了控制功能，提高了测量速度和测量精度。

（2）单片机在机电一体化中的应用机电一体化产品集机械技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一身，是机械工业发展的方向。

将单片机应用于机械行业，发挥它的体积小、可靠性高、功能强和安装方便等优点，提高了机器的自动化和智能化程度，促进了机电一体化的发展。

（3）单片机在实时控制中的应用单片机被广泛地应用于各种实时控制系统中。

例如对工业生产过程中温度、湿度、流量和压力等参数的测量和控制等。

（4）单片机在分布式测控系统中的应用分布式测控系统的主要特点是系统中有多个处理单元，各自完成特定的任务，可通过网络通信相互联系、协调工作，具有功能强、可靠性高的特点。

单片机可作为一个处理单元应用于分布式测控系统中。

（5）单片机在工业过程控制中的应用单片机的I/O口线多，并具有位操作能力，特别适用于工业过程控制。

（6）单片机在日常生活中的应用由于单片机价格低廉、体积小、逻辑判断及控制功能强，因此被广泛地应用于日常生活的各个方面，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、立体声音响和家用防盗系统等。

1.1.5 单片机面临的问题（1）低速由于单片机的工作方式是通过内部的cpu逐条执行的软件指令来完成各种运算和逻辑功能的，因而无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时序方式，在串行指令执行方式面前，其工作速度和效率必将大打折扣。