8051算术逻辑运算单元设计

第1章? 绪??? 论 1.1? 研究背景 随着超大规模集成电路技术的发展，芯片规模己从万门集成发展到现在的百万门、千万门集成；设计周期从以前的18个月缩短到目前的6个月甚至更短，因此IC设计的复杂度大大上升，设计的任务更艰巨。同时IC制造的特征尺寸已达到0.1微米，芯片集成度已至G规模，可以将整个系统集成到一个芯片，因此今天的IC正向SOC的方向转变。另外，IC的更新换代加快，设计升级的周期缩短，以前的单元库远远不能满足复杂电路对设计的要求，IC设计的开发已成为集成芯片市场扩大的“瓶颈”。在这种IC的几何尺寸变得越来越小、集成密度越来越高、集成的功能越来越强、开发周期越来越短的情况下，开发可重复利用的基本电路功能模块的方法，即IP应运而生。简单地说，IP是指在电子设计中预先开发的用于SOC设计的可复用的功能模块，系统设计者进行一个复杂设计的过程很像以前构造一块PCB一样，从市场上采购IP功能模块，然后在一块芯片上有效集成，从而构成一个功能强大的系统，即SOC。 IP（Intellectual Property）是目前电子技术中的一个新技术，其含义是知识产权。它为SOC的设计提供了有效的途径，是SOC的技术支撑。在国家高技术研究发展的863计划中，SOC作为微电子重大专项已列入了信息技术领域的重大专项启动项目中，在若干关键IP核的开发、软硬件协同设计、IP复用、VDSM设计、新工艺新器件等方面都布置了预研性课题。其中IP核的设计和制造是SOC技术中最为关键的部分，CPU的IP核是构成SOC技术的核心，开发出具有自主知识产权的CPU IP核对我国在电子设计技术方面跟上世界先进的步伐，提高信息产业在世界上的核心竞争力和效益具有重大意义。在国内，基于SOC的CPU设计研究很少有人涉足。虽然市场上应用较为广泛的微控制器、嵌入式处理器、计算机中的CPU等都有了很成熟的产品，但这些产品主要靠从国外引进，技术基础比较薄弱。中芯微系统公司生产出我国第一个具有自主知识产权的实用化32位嵌入式CPU芯片“方舟一号”，这表明我国的RISC CPU设计在嵌入式领域达到了先进水平。我国信息产业从此告别了无“芯”的时代。这是我国在CPU设计走出的第一步。虽然取得了很大的成绩，但是也应看到与国际先进水平还有一定的差距。在国外，SOC的IP核研究发展速度极快，技术也日趋成熟。对于CPU的研究设计更是领先于国内几十年。而且CPU的处理能力提升很快，由8位、16位升级到32位、64位，掌上电脑、PDA、电脑手机、电脑汽车等新产品层出不穷，产业规模日益壮大。而基于FPGA的CPU设计及实现技术更被许多高等学院列为重点研究项目，也取得了很大的研究成果。现在实验室正从事家电产品的研发，把片上系统应用到家电产品中，这样可以降低成本、减小体积和功耗，同时还具有很好的保密性。由于实验室以前都是基于MCS51产品的开发，所以开发MCS51的IP核具有很好的应用前景。 1.2? 研究内容及设计目标 本文主要研究如何在熟悉FPGA设计的基础上，利用Verilog HDL（硬件描述语言）编码实现MCS51算术逻辑运算单元的所有功能，并利用仿真工具对所实现的运算器进行仿真验证和综合。 课题的设计目标为利用编码实现MCS51算术逻辑运算单元，并对所设计的单元进行行为仿真、功能仿真以及综合验证，同时对设计单元进行针对性的测试，以证明其健壮性和实用性。