【小梅哥FPGA进阶教程】MC8051软核在FPGA上的使用 下

芯航线跑堂

2.2 MC8051 core 的组装
到现在为止，MC8051核RTL级实现的所有模块都已经具备了，接下来就使用将这些模块组装到一起，得到一个含完整mc8051核的Quartus· II工程，在新建工程之前我们还要对一些 mc8051 core 的源文件进行更新修改，使之符合我们的设计。
2.2.1 更新 mc8051 core 的顶层源文件
由于默认提供的源码中的顶层设计文件中的存储模块（ROM、RAM）是仿真时使用的， 现在要进行硬件测试，所以必须改成我们实际用到的 ROM、RAM 模块（也就是前一节我们生成的 ROM、RAM 模块）。
(1) 首先在工程目录下新建一个 mc8051core 的文件夹，将 mc8051 core 的源代码文件（位于：\mc8051_Source\VHDL 目录）拷贝到 mc8051core 文件夹。
(2) 打开 mc8051_Source\VHDL 目录下的 mc8051_p.vhd 文件，将原文件中 ROM、RAM 模块调用的代码（如程序清单 2.1 所示）全部替换为符合本设计的程序代码（如程序清单 2.2 所示）。
程序清单 2.1 mc8051_p.vhd 文件代修改代码

程序清单 2.2 mc8051_p.vhd 文件更新的源代码

(3) 打开 mc8051core目录下的 mc8051_top_struc.vhd 文件，首先做如程序清单 2.3 所示修改，其中行末标注“--new”的行为新增加的内容。然后将原文件中 ROM、RAM 模块调用部分的代码修改成如程序清单 2.4 所示的代码。这样就完成了源文件更新修改。

程序清单 2.3 mc8051_top_struc.vhd 文件新增的代码

其中，

和

就是新增加的内容
程序清单 2.4 mc8051_top_struc.vhd 文件中更新的源代码

2.2.2 添加mc8051 Core相关文件到Quartus II工程中
在将mc8051的源码添加到Quartus II工程前，我们需要首先对部分文件的文件名进行更改。原版的VHDL源码，部分文件的文件名末尾加了有“_”，而实际源码中的模块名没有加“_”，因此，如果将这些文件直接添加到Quartus II工程中，编译就会报错，提示找不到模块。

因此我们首先将源码文件以“_”结尾的文件名中的“_”全部去掉，例如，将“addsub_core_.vhd”更改为“addsub_core.vhd”。当所有的文件名更改完成之后，方可添加这些文件到工程中。
在Quartus II软件中，点击【Project】>>【Add/Remove Files in Project】,在弹出的对话框中，点击浏览文件符号，如图 2.21 所示：

图 2.21 添加文件按钮

选择mc8051core文件夹下的所有非配置文件（即以cfg结尾的文件不用选中），然后点击打开按钮，即可将文件添加到工程中来。如图 2.22 所示：

图 2.22 选择需要添加的文件

点“OK”完成文件的添加。  
2.2.3设置工程顶层文件在Files栏中，选中mc8051_top.vhd文件，点击右键，选择“Set as Top-Level Entity”，即可将mc8051_top.vhd设置为工程的顶层文件，（这里设置为顶层主要是为了封装IP核方便，临时性的，并不是最终作为工程顶层）。如图 2.23 所示：

图 2.23 选择需要添加的文件

2.2.4 综合工程文件
      (1) 综合工程
在 Quartus II 软件的主界面，点击分析和综合按钮 （或者直接按键盘组合键ctrl+k），即可开始对工程进行分析和综合。这个过程大概需要几分钟到十几分钟，视软件版本和电脑配置，耗费时间有差异。
      (2) 查看RTL图
综合编译后我们需要检查顶层设计是否正确，这时可以通过 RTL 图来检查，双击RTL Viewer，如图2.24 所示

图 2.24 点击打开RTL Viewer

按钮可以打开 RTL 图，我们可以很清晰的看到 8051 core 的顶层结构图，如图 2.25所示。如果没问题我们就可以进行下一步的设计了。

图 2.25 mc8051 core RTL 图

2.3 MC8051 core 在 Quartus II 中的应用
在看这节内容之前建议大家先看一下 2.4 节，了解一下单片机的应用测试程序及测试流
程，因为这两部分内容是同时进行，密切关联。
在这一节我们将对 2.1 节建立的 Quartus 工程做进一步的设计，并将 mc8051 core 应用
于设计中。同时对 Quartus 的简单应用做进一步的学习。具体包括以下内容：

      1. 建立 PLL 数字锁相环模块；

      2. mc8051 core 在 Quartus II 中的应用设计；

      3. FPGA 参数设置；

      4. 下载硬件设计到目标 FPGA。

2.3.1 建立 PLL 数字锁相环模块
众所周知，单片机需要时钟信号才能运行，那怎样才能得到一个稳定而可靠的时钟源呢？我们的实验板上有一个 50MHz 的有源晶振，但对于 mc8051core 来说，频率比较高，需要分频，这时可以用 FPGA 自带的 PLL 调整时钟频率，PLL 输出的时钟频率、相位都可调而且精度很高，下面我们将介绍如何在 Quartus II 中调用 PLL 模块。
(1) 打开我们在 2.1 节建立的 QuartusII 工程，从【Tool】>>【MegaWizard Plug-In Manager…】打开如图 2.13 所示的添加宏单元的向导。
(2) 在图 2.13 中按 进入向导第 2 页，按图 2.26 所示输入“pll”选择 ALTPLL，并选择器件类型及存放路径，注意标记部分。

图 2.26 MegeWizard Plug-In Manager page2

(3) 在图 2.26 中按 进入向导第 3 页，按图 2.27 所示选择和设置，注意标记部分。由于电路板上的有源晶振频率为 50MHz，所以输入频率设为 50MHz。

图 2.27 page3 设置输入时钟频率

(4) 在图 2.27 中按 进入向导第 4 页，在图 2.28 所示的窗口选择 PLL 的控制信号，如 PLL 使能控制“pllena”；异步复位“areset”；锁相输出“locked”等。这里我们不选任何控制信号。

图 2.28 page4 设置控制信号

(5) 在图 2.28中按连续按下 直到进入向导第8页，按图2.30所示选择c0输出频率为18MHz，时钟相移和占空比不改变。

图 2.29 page8 设置时钟输出频率

(6) 在图 2.29 中按 进入向导第 9 页 c1 的设置界面，由于c1以及后续其他输出都不再使用，因此，这里可以直接跳过其他所有输出的配置，直到最后按 完成 PLL 兆功能模块的定制。
在完成定制 PLL 后，在 Quartus II工程文件夹中将产生 pll.bsf文件和 pll.v 的Verilog HDL源文件。
2.3.2 建立MC8051应用工程，
这一小节将讲述如何使用以上移植的mc8051的核建立一个实际的Quartus II 工程并能够在芯航线FPGA学习套件的主板上运行。 具体步骤如下：

      (1) 在工程顶层中例化mc8051核

      (2) 在工程顶层中例化pll

      (3) 对工程进行分析和综合

      (4) 分配引脚

      (5) 编译并生成FPGA配置文件

      (6) 使用USB Blaster配置FPGA

打开之前建立的Quartus II工程，打开mc8051_test.v文件，首先编写模块的端口，这个模块的端口也是工程最终的对外引脚，这里直接设置模块端口为mc8051的IO。 如程序清单2.5的第1行至第23行所示。
接着在工程中例化mc8051核，这里就是例化mc8051_top。Quartus II中，可以直接在Verilog文件中例化使用VHDL编写的模块，因此这里直接按照Verilog的格式例化mc8051_top即可，如程序清单2.5的第33行至第56行所示。注意，mc8051核的复位端口是高电平复位，而我们开发板上是将复位信号接到了轻触按键上，轻触按键在没有被按下时，输出的是高电平，因此该信号不能直接接到mc8051的复位输入端，需要先将其取反，因此直接在例化时将Rst_n取反后连接到mc8051的reset端即可（第36行）。
然后在工程中例化pll核，例化pll的代码如程序清单2.5的第27行至第31行所示，pll的时钟输入端连接到芯片的时钟输入信号Clk50M上，c0输出为18M，连接到mc8051的时钟输入端口clk上。

程序清单 2.5 mc8051_test.v 文件的源代码

接着我们将mc8051_test.v文件设置为工程顶层，然后点击分析和综合按钮（或者按下键盘组合键ctrl+k）来对工程进行分析和综合。
分析和综合完成后，我们打开Pin planner，进行引脚的锁定。依次点击【Assignments】>>【Pin Planner】，如图 2.30所示：

图 2.30 打开引脚分配卡

这里，我们只需要分配我们使用到的部分外设，没有使用到的暂不做引脚分配。本例中，我们将在Keil中编写软件代码测试mc8051的定时器、串口和P1口。我们使用开发板上板载的4个led灯进行测试P1口P1_o[0:3]的测试。因此我们需要分配引脚的端口有P1_o[0:3]，all_rxd_i，all_txd_o，Clk50M以及Rst_n。其他没有使用的端口暂不分配引脚。引脚分配表如下所示：

将以上引脚对应分配给相应的信号即可。分配结果如图 2.31所示：

图 2.31 引脚分配结果

引脚分配完毕后，关闭Pin Planner，点击Start Compilation(或者键盘组合键ctrl+L)·来对工程进行全编译并生成FPGA配置文件（.sof）。
编译完毕后，使用USB Mini线连接芯航线FPGA开发板，连接上USB Blaster，然后打开Programmer，在Hardware Setup中选择USB Blaster。添加mc8051_test.sof文件，然后点击start即可将生成的配置文件下载到FPGA芯片中。如图 2.32所示：

图 2.32 引脚分配结果

2.4 测试 MC8051 的 I/O、UART 和定时器功能
在这一节中我们将通过一个简单的流水灯、UART 程序验证我们的 mc8051 core。

2.4.1 Keil C 测试程序
我们的 mc8051 core 已经建立起来了，现在需要一个程序进行硬件测试，这里的程序
是指普通的 51 程序，可以用 Keil C 或其它工具来编译我们写的测试程序，并生成.HEX 文件具体的操作过程就不用做介绍了。
如程序清单 2.6 所示是一个简单的测试程序，用于测试 I/O、定时器和 UART。定时器 0 用来做流水灯控制，从 P1 口输出；串口波特率(9600b/s)由定时器 1 决定 。

程序清单 2.6 mc8051 IP核测试程序

2.4.2 测试步骤
将程序清单 2.6 的程序进行编译并生成.hex 文件，为了方便大家测试，我们提供了一个创建好的Keil工程，在“mc8051_test\Cproject\uart_led”目录下，使用Keil C51 v4打开。
在Quartus II软件中，依次选择【Tools】>>【In-System Memory Content Editor】，打开In-System Memory Content Editor工具，右侧选择Hardware为USB-Blaster [USB-0]，如图 2.33所示：

图 2.33 选择下载器

然后工具会自动搜索到器件和器件中存在的支持该工具的节点，搜索完成后整个工具界面如图 2.34所示：

图 2.34 In-System Memory Content Editor界面

鼠标选中ROM0（这里是我在配置ROM核的时候修改的索引名，如果你在配置的时候忘了修改索引名，则这里默认显示的名字应该是NONE），点击右键，选择Import Data From File。定位到C工程目录下，我这里为：E:\CoreCourse_fpga\mc8051_test\Cproject\uart_led，选择uart_led_test.hex文件并打开。这时候我们可以看到，工具下方已经有数据了，我们点击 下传按钮以将数据传输进FPGA中的ROM中。如图 2.35所示：

图 2.35 下载程序到mc8051的ROM中

然后，我们打开电脑上的串口调试工具（任意一个你熟悉的就行），我这里使用友善串口调试助手，选择板子端口对应串口，设置波特率为9600，数据位为8位，无校验位，1位停止位，接收格式为ASCII。然后点击打开串口，则可以看到串口接收窗口中接收到了开发板传输过来的数据。同时板子开发板上的4个LED灯循环依次点亮。如图 2.36所示：

图 2.36 串口接收的数据

当我们的程序调试无误后需要固定到芯片中永久使用时，就将编译好的hex文件名称修改为mcu_test.hex，替换工程目录下原有的mcu_test.hex文件，然后重新编译文件，然后配置FPGA即可。

小梅哥

2016年2月26日星期五

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附录 A MC8051 指令表

附表 1 MC8051 指令表

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