OC8051

我们以开源IP分享网站 opencores.org 上面的一款开源8051核-oc8051为基础，介绍8051的结构、工作原理、硬件描述的实现及在FPGA上的仿真、移植过程。
oc8051下载地址：https://opencores.org/project/8051

oc8051与8051微控制器是兼容的。所谓兼容性是指oc8051使用相同的指令集。实现起来当然各有差异。 首先，最重要的区别是有两个阶段的流水线操作。在第一周期指令及其操作数被取出和解码时，第二周期用于计算结果并将其写入存储器。我们通过额外的寄存器来实现这一点，其唯一的任务是将信号延迟一个时钟周期。这是必须的，因为我们的想法是我们已经在第一个周期中设置了所有控制信号，然后将一个不需要的控制信号（例如，保存结果的地址）延迟一个周期。 因为我们可能还需要指令的第二个和第三个字节，所以我们使用24位宽总线的程序ROM。由于处理器设计的需要，我们还使用能够同时写入和读取的内部存储器。 其中一个重要方面是总线控制，由主模块（oc8051decoder）处理。我们通过控制信号来实现这一点，控制信号连接到在每个总线开始时设置的多路复用器。有了多路复用器，我们设置了谁控制总线 ===1.1 oc8051文件组织目录=== * oc8051 * asm 软件相关文件 * hex * in * v * vec * bench 仿真相关文件 * verilog * doc 说明文档 * pdf * src * rtl verilg代码 * verilog * sim RTL仿真文件 * rtlsim

• sw ROM生成工具
  • source
• syn 工程文件
  • src

Ports:

• -rst reset
• -clk clock
• -romaddr Program Memory address * -romdata Program Memory data
• -ea external access: is used when the external memory is accesed
• -int0 external interrupt 0
• -int1 external interrupt 1
• -dati input for external Data Memory * -dato output for external Data Memory
• -adro external Data Memory address * -weo writing to external Data Memory
• -stbo strobe * -acki acknowlage
• -cyco cycle * -p0in, p1in, p2in, p3in port inputs * -p0out, p1out, p2out, p3out port outputs * -op1, op2, op3 inputs from external Program Memory (3x 8 bitov) * -rxd receive * -txd transmit * -t0, t1 t/c external inputs ===2.2 oc8051decoder===

oc8051decoder是主要模块。 该模块从程序存储器中获取操作代码，然后设置控制信号。
模块有两个内部信号。
首先是两位宽的信号-state。 该信号显然保存有关状态的信息，即流水线的状态。 该信号的典型值为b00。 仅当流水线中的指令执行被阻塞时（遇到jumps），才会更改此值。
第二个内部信号是op，这是寄存器，我们在其中保存操作代码，并且当指令执行需要多于一个时钟周期时,op才会被用到。
这个模块由5个‘always’块组成：
* 第一个利用'case'判断流水线状态，通过状态state和操作码op设置控制信号。 * 第二个是用来记住操作码。 * 第三个是设置信号state到期望值。 * 第四个关注输出信号中断返回指令 * 第五个用来产生信号writex 输入输出信号
- clk (in) clock
- rst (in) reset
- opin (in) 操作码, 由memoryinterface得到，[oc8051opselect.op1]
- eq (in) 比较结果 [oc8051comp.eq]
- ramrdsel (out) 选择信号, 读ram地址选择 [oc8051ramrdsel.sel, oc8051sp.ramrdsel]
- ramwrsel (out) 选择信号,写ram地址选择 [oc8051ramwrsel.sel -r, oc8051sp.ramwrsel -r]
- wr (out) 读写位1表示写，0表示读[oc8051ramtop.wr -r, oc8051acc.wr -r, oc8051bregister.wr -r, oc8051sp.wr-r, oc8051dptr.wr -r, oc8051psw.wr -r,oc8051indiaddr.wr -r, oc8051ports.wr -r]
- srcsel1 (out) 选择alu 资源1 [oc8051alusrc1sel.sel -r]
- srcsel2 (out) 选择alu 资源 2 [oc8051alusrc2sel.sel -r]
- srcsel3 (out) 选择alu 资源 3 [oc8051alusrc3sel.sel -r]
- aluop (out) alu 操作[oc8051alu.opcode -r]
- pswset (out) 定义在PSW寄存器中设置哪个标志 cy, ac, ov from alu [oc8051psw.set -r]
- cysel (out) alu中进位选择信号 [oc8051cyselect.cysel -r]
- compsel (out) 比较内容选择 [oc8051comp.sel]
- bitaddr (out) 位寻址 [oc8051ramtop.bitaddr -r, oc8051acc.wrbit -r, oc8051bregister.wrbit-r, oc8051sp.wrbit -r, oc8051dptr.wrbit -r, oc8051psw.wrbit -r, oc8051indiaddr.wrbit -r, oc8051ports.wrbit -r]
- pcwr (out) pc 写 [oc8051pc.wr]
- pcsel (out) pc 选择[oc8051pc.pcwrsel]
- rd (out) rom 中读[oc8051pc.rd, oc8051opselect.rd]
- reti (out) 中断返回 [pin]
- rmw (out) 读-修改-写 指令时有效[oc8051ports.rmw]
- pcwait (out)

模块oc8051alu表示用于算术和逻辑运算的组合逻辑。
模块有3个8位输入操作数（第三个操作数用于计算PC或DPTR的地址）和3个输入信号。 这三个信号分别是进位，辅助进位和用于位寻址指令的信号。还有四位宽的操作码输入。
操作指令：
* OC8051ALUNOP – 空操作 * OC8051ALUADD - 加 * OC8051ALUSUB - 减 * OC8051ALUMUL - 乘 * OC8051ALUDIV - 除 * OC8051ALUDA – 十进制调整 * OC8051ALUNOT – 取反, 按位取反 * OC8051ALUAND – 与, 按位与 * OC8051ALUXOR – 异或 * OC8051ALUOR - 或 * OC8051ALURL – 循环左移 * OC8051ALURLC – 带进位的循环左移 * OC8051ALURR – 循环右移 * OC8051ALURRC – 带进位的循环右移 * OC8051ALUPCS – 添加16位无符号数和8位有符号数 * OC8051ALUXCH – 交换，第一个输入传输到第二个输出，反之亦然。 如果设置了进位,则只更改字节的最低半部分 运算码在文件oc8051defines.v中。输出是2个八位宽结果，还有进位，辅助进位和溢出。乘法和除法子模块分别定义在oc8051multiply 和 oc8051divide 中。它俩都有八位宽的输入总线和2个八位宽输出总线，1个总线输出结果，另一个总线输出进位标志。

模块oc8051pc实际上是一个程序计数器。 它计算下一条指令的地址值。模块中的输入是操作码，我们用它来计算地址的值。 还有一些输入用于跳转（op2和op3用于绝对跳转，alu输入用于相对寻址），还有用于选择新pc源的信号（pcwrsel）和输入新地址的信号（wr）。 模块的唯一输出是程序计数器的16位宽的当前值。 ===2.5 oc8051rom=== 该模块包含了程序存储器。 程序存储器取决于我们的实现方式。
模块中的输入是16位地址。 输出是三个8位数据总线和eaint信号。 输入地址来自数据的第一个字节（data1），第二个和第三个字节（data2，data3）位于以下地址。 这是流水线不间断运行的必备条件。Eaint信号等于外部ea信号，如果所使用的地址对于内部程序存储器来说太大了，那么就需要使能该信号，来访问外部程序存储器。

模块oc8051comp的功能是比较两个输入并在输入相同时设置输出。 在条件跳转时，计算条件需要该模块。
比较输入有不同的选项：
- ACC对0
- 算术运算的结果对0
- 进位
- 位进位（来自存储器）
这些选项足以满足8051中的所有条件跳转。输出连接到oc8051decoder的输入，在需要时传输到pcwr。
===2.7 oc8051opselect=== 所有来自程序存储器的数据都要经过该模块。它有三项任务。
第一项任务是选择使用哪种内存，内部或外部。这项任务有点像多路复用器：它具有用于输入的ea和eaint信号（当这两个信号任意一个低电位时，将是外部空间的读周期）和输出。
该模块的第二个任务是接收中断。为此，除了3个8位输入之外，该模块还具有两个用于接收中断的输入信号。这些是信号int和8位的intv。如果设置了int信号，我们有一个中断，在8位总线上，我们接收到中断程序的地址（高8位为零）。在中断时，检查当前正在执行的指令是否大于一个时钟周期（输入信号rd），然后将LCALL操作码发送到第一个输出。随后发送中断程序其他两个输出的地址。
该模块的最后一个任务是检查操作码并发送存储器地址，以便将结果写入输出中。这与需要DPTR用于计算结果的指令和使用B寄存器的指令一起使用。使用此选项可以实现以后的立即寻址模式。必须要小心啦，因为第二个操作数有两个不同输出，一个用于ALU中的立即操作数，另一个用于直接寻址。
===2.8 oc8051regX=== oc8051regX模块代表X位寄存器，其功能仅在于将信号延迟一个时钟周期。 除了时钟和复位输入外，它们还具有数据输入和输出。 ====3 数据存储器和特殊功能寄存器（SFR）==== 下面的模块包括两部分， * 数据存储器和特殊功能寄存器模块 * 多路复用器模块 这部分的模块都包含数据，这些模块共享同样的地址空间，因此他们有一些共同的输入信号：
这些信号有：
- clk clock，时钟信号
- rst reset. Reset values are written oc8051defines.v file. 复位信号
- wr writing 写操作信号
- wraddr address to where data is written 写地址信号
- datain input data 输入数据
- wrbit defines if the instruction is bit addressable 如果指令可操作位地址，则有该信号
- bitin bit input (for use only with bit addressable instructions and Data Memory) 位输入 （只用在位操作指令和位操作数据空间）
在下列情况下，特殊寄存器每时钟周期都要被检查：
1、如果有写周期（wr信号）；
2、如果位操作；
3、如果地址匹配要写入寄存器的数据。
地址可以不同，以便处理位操作指令或字节操作指令。物理地址定义在oc8051defines.v文件中。
除了输入空间外，还有数据地址输入空间和数据输出空间。
===3.1 oc8051ramtop=== 该模块包含数据存储器。 它的工作方式类似于普通内存和我们所需的（能够进行位寻址）的内存类型。 在位寻址模式中，我们必须使用地址字节中正确的位数值。 当写周期时，必须读取整个字节，改变相应位的值，必须将所有字节再写回存储器。
该模块的子模块是oc8051ram。 该模块依赖于所用的实现方式，它是一个具有8位地址的普通存储器。 由于流水线的原因，需要同时进行读写。

最常用的SFR是累加器（ACC）。 除了标准端口之外，它还有8位宽的输入，用于给第二个ALU结果（data2in）。还有一个信号wad2，当第二结果写入寄存器时，该信号被激活。 还有另一个输出，用于奇偶校验（p）。 ===3.3 oc8051bregister=== B寄存器是简单的位寻址寄存器没有特殊功能 ===3.4 oc8051psw=== 这个模块包含程序状态字。除了标准输入外，它还有 来自ACC的信号p（奇偶）；
来自ALU的辅助进位和溢出信号；
置位要写入寄存器的对应信号

该模块包含16位宽数据指针。它有以下内容：

• 两个8位输出（datahi和datalo）
• 8位输入总线，用于第二个ALU结果
• 2位宽的信号，当指令需要使用DPTR作为十六位宽寄存器时，该信号被激活

该寄存器不可位寻址。

该模块表示堆栈指针。 除了标准输入外，它还有两个连接到oc8051decoder的输入信号。 这两个输入信号定义了读或者写的地址。 ===3.7 oc8051ports=== 该模块负责输入输出端口。
它有四个8位输入总线和四个8位输出总线。 该信号用于与外界通信。 模块输入也是8位当前地址。 该模块还具有rmw信号，该信号指示该指令是否是所谓的读 - 修改 - 写指令。 根据这些指令，我们不读取模块的输入引脚，而是读取输出端口的寄存器。
这些指令是： - ANL
- ORL
- XRL
- JBC
- CPL
- INC
- DEC
- DJNZ
- MOV PX.Y, C
- CLR PX.Y
- SETB PX.Y

该模块描述oc8051定时器。有两个定时器：定时器/计数器0（T0/C0）和定时器/计数器1（T1/C1）。两个定时器都是16位字长，每个定时器由两个8位寄存器表示（T/C 0为TL0和TH0，T/C1为TL1和TH1）。该模块还包含SFR TMOD，它定义了定时器模式。

四个输入信号是ie0，ie1，tr0，tr1，表示激活定时器的状态。另外还有两个输出信号tf0和tf1，这两个信号用来设置TCON寄存器和八位输出总线的溢出标志。
定时器有四种不同的运行模式：

• 模式0：两个定时器都是带有32分频预分频器的8位计数器，它提供了一个13位计数器。 仅使用低5位的TLx寄存器。
• 模式1：两个寄存器都是16位计数器
• 模式2：THx表示8位计数器，溢出时填充TLx内容
• 模式3：在这种模式下，t / c1只保持恒定值。 而t / c0用作两个独立的8位计数器。 TH0使用来自timer0的控制信号（TF0中的TR0），而TL0使用来自timer1的控制信号（TF1中的TR1）。

中断模块。该模块接收中断请求，然后根据已定义的状态，调度请求到处理器中。这里定义了五种不同中断源，每一种的中断函数都有自己的独一的地址。
These addresses are:

• external interrupt 0 (0003H)
• timer 0 overflow (000BH)
• external interrupt 1 (0013H)
• timer 1 overflow (001BH)
• serial port interrupt (0023H)

该模块包含三个特殊功能寄存器：

• 控制寄存器 (TCON), 包含中断标志
  

• 中断使能寄存器(IE)

• 中断优先级寄存器（IP）

模块有五个中断输入，每个对应一个中断源。 还有两个输入信号，reti和ack。中断结束时reti置位，当处理器打断向量中断任务时，信号ack置位。 模块还具有8位总线，用于读取中断向量地址。

该模块包含oc8051串行接口（uart）。 除标准输入外，它还具有接收输入信号（rxd）和发送输入信号（txd）。 这两个信号也是处理器的输出。 还有一个timer1溢出输入和一个中断输出。模块包含三个SFR：串行控制（scon），串行数据缓冲器（sbuf）和功率控制（pcon）。 串口控制寄存器 (SCON)

串口有四种操作模式：

• 模式0：传输8个数据位。 波特率是振荡器频率的1/12。
• 模式1：传输10位（8个数据位和启动和停止位）。 波特率是可变的。
• 模式2：传输11位：起始位，8个数据位，可编程的第9位和停止位。 如果设置了smod，则波特率为1/32，否则为波特率的1/64。
• 模式3：传输11位：起始位，8个数据位，可编程的第9位和停止位。 波特率是可变的。

当处于模式1或3时，需要timer1来计算波特率（波特率=（2 ^ smod / 64）*（定时器1溢出率））。

该模块不包含任何SFR，但它仍包含数据存储器的一部分。 来自所有寄存器组R0和R1的数据。 该寄存器用于间接寻址。输入在特定的寄存器缓冲区占据两位bit，操作码的最后一部分用来选择寄存器R0或R1。因此在直接寻址中，在第一时钟阶段，操作数已经就位，没有必要停止流水线。

该模块代表多路复用器，基于该复用器，读入的指针能够将正确的数据传给数据总线。这样就可以选择存储器中的数据或者特殊寄存器中的数据。

总线管理是基于多路复用器的，他们的主要特点是选择输入信号并转换成相应的输出信号。输入信号来自oc8051decoder （译码）模块的八位宽的信号。 ===4.1 oc8051alusrc1sel=== 这个模块用来选择第一个ALU操作数。他们来自立即操作数，ACC，有效的内部空间数据或外部空间数据。 根据src3更改 ===4.2 oc8051alusrc2sel=== 这个模块用来选择第二个ALU操作数。他们来自立即操作数，ACC，有效的内部空间数据或外部空间数据或者零。 ===4.3 oc8051alusrc3sel=== 这个模块用来选择第三个ALU操作数。他们来自程序计数器或者DPTR。 ===4.4 oc8051cyselect=== 选择把以下哪里的进位送给ALU，
(1)来自PSW
(2)来自空间的位数据
(3)0
(4)1
===4.5 oc8051extaddrsel=== 选择外部空间地址：R0或R1 （等同于间接寻址） 或者 DPTR。 ===4.6 oc8051immediatesel=== 选择立即操作数。有两个输出，一个用作第一个ALU操作数，另一个用作第二个ALU操作数。可以在PC （程序计数器），第二个或第三个指令字节之中选择。 ===4.7 oc8051ramrdsel=== 选择读地址： (1)寄存器（R0-R7）；
(2)间接地址；
(3)堆栈；
(4)直接地址。
当选择地址寄存器时，只有五个位的数值被使用（前三个位的数值总是零）。 ===4.8 oc8051ramwrsel=== 选择写地址： (1)寄存器（R0-R7）； (2)间接地址； (3)堆栈； (4)直接地址； (5)DPTR； (6)B寄存器。 ===4.9 oc8051romaddrsel=== 选择程序空间地址： (1)PC； (2)DPRT （只在MOVC指令下有效）。
===参考来源===：
opencores的设计文档 < oc8051_design >
李全利老师主编的《单片机原理及接口技术》
网友oldbeginner的开源软核学习笔记：http://xilinx.eetop.cn/space.php?uid=1214938&op=bbs
网友leishangwen的《DE2上使用OC8051运行点灯程序》：
https://download.csdn.net/download/leishangwen/5173363
由于水平所限，难免有不对之处，欢迎指正。