关键词:
1. 概述
本设计采用FPGA技术,在FPGA中实现8051单片机的软核,将外部SPI Flash中的代码数据加载到FPGA内部ram,然后复位MC8051,实现外部flash启动MC8051。
2. 系统框图
8051采用Oregano Systems公司开源的MC8051软核。SPI Flash采用W25Q16芯片存储8051的代码程序。系统框图如下:
3. MC8051简介
Oregano Systems的8051单片机采用VHDL语言开发,具有如下特点:
采用完全同步设计
指令集和标准 8051 微控制器完全兼容
指令执行时间为 1~4 个时钟周期,执行性能优于标准 8051 微控制器 8 倍左右
用户可选择定时器/计数器、串行接口单元的数量
新增了特殊功能寄存器用于选择不同的定时器/计数器、串行接口单元
可选择是否使用乘法器(乘法指令 MUL)
可选择是否使用除法器(除法指令 DIV)
可选择是否使用十进制调整功能(十进制调整指令 DA)
I/O 口不复用
内部带 256Bytes RAM
最多可扩展至 64Kbytes 的 ROM 和 64Kbytes 的 RAM
最多可扩展至 64Kbytes 的 ROM 和 64Kbytes 的 RAM
MC8051 IP Core的顶层结构如下图所示:
4. MC8051移植
在mc8051_p.vhd中,更改C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT的值可以定义定时器和外部中断的数量。
----------------------------------------------------------------------------- -- Select how many timer/counter units should be implemented -- Default: 1 constant C_IMPL_N_TMR : integer := 1; ----------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------- -- Select how many serial interface units should be implemented -- Default: C_IMPL_N_TMR ---(DO NOT CHANGE!)--- constant C_IMPL_N_SIU : integer := C_IMPL_N_TMR; ----------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------- -- Select how many external interrupt-inputs should be implemented -- Default: C_IMPL_N_TMR ---(DO NOT CHANGE!)--- constant C_IMPL_N_EXT : integer := C_IMPL_N_TMR; -----------------------------------------------------------------------------
在mc8051_p.vhd中,还可以选择需要的指令,可选的指令有MUL/DIV/DA。
----------------------------------------------------------------------------- -- Select whether to implement (1) or skip (0) the multiplier -- Default: 1 constant C_IMPL_MUL : integer := 1; ----------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------- -- Select whether to implement (1) or skip (0) the divider -- Default: 1 constant C_IMPL_DIV : integer := 1; ----------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------- -- Select whether to implement (1) or skip (0) the decimal adjustment command -- Default: 1 constant C_IMPL_DA : integer := 1; -----------------------------------------------------------------------------
在FPGA中用内部的ram资源构建一个rom和一个ram以供8051使用,其中rom需为双端口,用于spi_flash_controller加载flash中的程序。
5. SPI Flash简介
SPI Flash芯片是由8192个页组成,每页大小为256字节。16页组成一个扇区,128/256页组成一个块,其结构框图如下:
SPI Flash的读写指令如下:
6. SPI Flash控制器设计
SPI Flash的读写时序如下:其他操作的时序可查看spi flash datasheet。
控制器状态机设计如下:
SPI Flash加载控制逻辑代码如下:
//file name: spi_flash_load.v //author: shugen.yin //date: 2017.1.5 //function: load code from spi flash to dram //log: module spi_flash_load( //Global signal input clk, input rst_n, //signal from and to SPI reader output reg rd_start, output reg [31:0] rd_addr, output reg [31:0] rd_length, input [7:0] rd_data, input rd_data_valid, input read_busy, //signal to mc8051 input [15:0] rdaddress, output [7:0] data_out, output reg reset ); reg [15:0] wraddress; always @(posedge clk) if(rd_data_valid) wraddress <= wraddress + 1‘b1; else wraddress <= wraddress; dpram dpram_inst ( .clock ( clk ), .data ( rd_data ), .rdaddress ( rdaddress ), .wraddress ( wraddress ), .wren ( rd_data_valid ), .q ( data_out ) ); reg [15:0] spi_cnt; always @(posedge clk) if(spi_cnt<=16‘h0fff) spi_cnt <= spi_cnt + 1‘b1; else spi_cnt <= spi_cnt; always @(posedge clk) if(spi_cnt==1) begin rd_start <= 1‘b1; rd_addr <= ‘h0; rd_length<= ‘h1000; end else begin rd_start <= 1‘b0; rd_addr <= rd_addr; rd_length<= rd_length; end always @(posedge clk) if(spi_cnt==16‘h1000) reset <= 0; else reset <= 1‘b1; endmodule
7. MC8051 C语言开发
这里采用Keil uVision4作为开发平台,用到MC8051的I/0和定时器设备,代码设计如下:
#include <reg51.h> sbit P00=P0^0; char i=100; unsigned char led=0; void Timer0_init(void) { TMOD = 0x01; //set timer0 as mode-1 TH0 = 0xee; TL0 = 0x00; P00 = 0; EA = 1; //enable interrupt ET0 = 1; //enable timer0 interrupt TR0 = 1; //Trigger Timer0 } void main(void) { Timer0_init(); while(1){}; } void Timer0_int(void) interrupt 1 { TH0 = 0xee; TL0 = 0x00; i--; if(i<=0) { led = ~led; i = 100; } P00 = led; }
编译KEIL工程,得到hex文件:将KEIL生成的hex文件烧写道SPI Flash中。
8. FPGA系统逻辑代码设计
FPGA系统逻辑代码顶层设计如下:
//file name : top_fpga.v //data : 2017.1.9 //author : shugen.yin //function : top of project //log : module top_fpga( //global signal input clk, input rst_n, //led output [1:0] led ); //----------------MC8051------------------ wire int0_i; wire int1_i; wire all_t0_i; wire all_t1_i; wire [7:0] p0_i; wire [7:0] p1_i; wire [7:0] p2_i; wire [7:0] p3_i; (* keep *)wire [7:0] p0_o; (* keep *)wire [7:0] p1_o; (* keep *)wire [7:0] p2_o; (* keep *)wire [7:0] p3_o; mc8051_top mc8051_top_inst ( .clk(clk) , // input clk_sig .reset(spi_load_reset) , // input reset_sig .int0_i(int0_i) , // input [0:0] int0_i_sig .int1_i(int1_i) , // input [0:0] int1_i_sig .all_t0_i(1‘b0) , // input [0:0] all_t0_i_sig .all_t1_i(1‘b0) , // input [0:0] all_t1_i_sig .p0_i(p0_i) , // input [7:0] p0_i_sig .p1_i(p1_i) , // input [7:0] p1_i_sig .p2_i(p2_i) , // input [7:0] p2_i_sig .p3_i(p3_i) , // input [7:0] p3_i_sig .p0_o(p0_o) , // output [7:0] p0_o_sig .p1_o(p1_o) , // output [7:0] p1_o_sig .p2_o(p2_o) , // output [7:0] p2_o_sig .p3_o(p3_o) , // output [7:0] p3_o_sig .dram_adr_o(spi_load_address) , //output address .dram_data_i(spi_load_data) //input data ); assign led = {p0_o[0],~p0_o[0]}; //----------------SPI Flash------------------ wire rd_start; wire [31:0] rd_addr; wire [31:0] rd_length; wire [7:0] rd_data; wire rd_data_valid; wire read_busy; spi_flash_reader spi_flash_reader_inst ( //global signal .clk(clk), .rst_n(rst_n), //SPI master port .spi_dclk(flash_clk), .spi_cs_n(flash_cs_n), .spi_so(flash_mosi), .spi_si(flash_miso), //export port .rd_start(rd_start), .rd_addr(rd_addr), .rd_length(rd_length), .rd_data(rd_data), .rd_data_valid(rd_data_valid), .read_busy(read_busy) ); wire [15:0] spi_load_address; wire [7:0] spi_load_data; wire spi_load_reset; spi_flash_load spi_flash_load_inst ( .clk(clk) , // input clk_sig .rst_n(rst_n) , // input rst_n_sig .rd_start(rd_start) , // output rd_start_sig .rd_addr(rd_addr) , // output [31:0] rd_addr_sig .rd_length(rd_length) , // output [31:0] rd_length_sig .rd_data(rd_data) , // input [7:0] rd_data_sig .rd_data_valid(rd_data_valid) , // input rd_data_valid_sig .read_busy(read_busy) , // input read_busy_sig .rdaddress(spi_load_address) , // output [11:0] rdaddress_sig .data_out(spi_load_data), // output [7:0] data_out_sig .reset(spi_load_reset) ); endmodule
9. 最终结果
在Quartus II 13.1平台下,编译完成后,将sof文件下载到板卡上,LED交替闪烁。
本文出自 “shugenyin的博客” 博客,请务必保留此出处http://shugenyin.blog.51cto.com/4259554/1890407
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