本文關(guān)鍵詞：C8051F微控制器數(shù)字外設(shè)設(shè)計(jì)與集成

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【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微電子工藝水平的不斷提升,微控制器產(chǎn)業(yè)也以驚人的速度發(fā)展,從最初的4位逐步發(fā)展至目前高性能的64位,并且在面積、速度和可靠性等方面均有了質(zhì)的提升。盡管如此,由于面積和成本方面的巨大優(yōu)勢(shì),兼具性價(jià)比和可靠性的八位微控制器仍在特定的應(yīng)用環(huán)境中被廣泛使用。在八位微控制器領(lǐng)域,C8051F系列為其經(jīng)久不衰的典型代表。它具有微型化、高穩(wěn)定性和良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn),在測(cè)控、儀表、自動(dòng)化控制、智能接口等工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜度的不斷增加,微控制器需要與越來越多的外部設(shè)備建立通信,協(xié)同工作,因此,對(duì)微控制器的可擴(kuò)展性提出了更高的要求。如何設(shè)計(jì)功能完備的數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng),為微控制器提供強(qiáng)大的外設(shè)資源保證其操作的靈活性和可拓展性,是在微控制器研發(fā)過程中越來越重要的技術(shù)難點(diǎn)。本文首先根據(jù)C8051F芯片手冊(cè)中數(shù)字外設(shè)部分各個(gè)組件的功能要求,對(duì)數(shù)字外設(shè)進(jìn)行了整體的模塊劃分,確定了各部分的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法,完成了C8051F微控制器數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)的RTL代碼設(shè)計(jì)工作。外設(shè)子系統(tǒng)主要包括串行數(shù)據(jù)端口UART、串行外設(shè)總線SPI、系統(tǒng)管理總線SMBus、定時(shí)/計(jì)數(shù)器,可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA、交叉開關(guān)優(yōu)先級(jí)譯碼器,以及用于內(nèi)核與外設(shè)之間通信的SFR總線。在外設(shè)子系統(tǒng)RTL級(jí)代碼編寫完成之后,本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有的微控制器內(nèi)核與外設(shè)子系統(tǒng)進(jìn)行了集成和調(diào)試。在此基礎(chǔ)上,制定了詳細(xì)的驗(yàn)證計(jì)劃并搭建了一個(gè)面向定向激勵(lì)的驗(yàn)證平臺(tái)。在完成對(duì)所有外設(shè)部分的系統(tǒng)級(jí)功能仿真之后,采用基于Xilinx Zynq-7000的FPGA開發(fā)板Zedboard,對(duì)整個(gè)微控制器系統(tǒng)進(jìn)行FPGA原型驗(yàn)證。以FPGA芯片為載體,將微控制器系統(tǒng)IP核下載到FPGA開發(fā)板中,經(jīng)過FPGA綜合后的最大頻率可達(dá)104MHz。在該系統(tǒng)上,運(yùn)行實(shí)際的C應(yīng)用程序,包括復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算,流水燈的實(shí)現(xiàn),PWM波的生成,FFT算法的實(shí)現(xiàn)等,通過UART端口將處理結(jié)果回傳給上位機(jī),結(jié)合Chipscope抓取到的信號(hào)波形與預(yù)期測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。經(jīng)驗(yàn)證,所有運(yùn)行的應(yīng)用程序均能得到正確的結(jié)果。其中,在FFT算法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中,總代碼覆蓋率達(dá)到71%,未覆蓋的模塊均通過了相應(yīng)的焦點(diǎn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明微控制器系統(tǒng)的內(nèi)核與外設(shè)均能工作正常,能正確處理相關(guān)應(yīng)用程序,滿足項(xiàng)目需求。
【關(guān)鍵詞】：C8051F微控制器 外設(shè)子系統(tǒng) 定向激勵(lì) FPGA原型驗(yàn)證
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP332
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符號(hào)對(duì)照表11-12
• 縮略語(yǔ)對(duì)照表12-16
• 第一章 緒論16-20
• 1.1 論文選題背景16
• 1.2 微控制器的發(fā)展16-17
• 1.3 C8051F微控制器的技術(shù)特點(diǎn)分析17-18
• 1.4 本論文內(nèi)容安排18-20
• 第二章 C8051F微控制器的基本組成及數(shù)字外設(shè)的架構(gòu)分析20-34
• 2.1 C8051F微控制器的基本結(jié)構(gòu)20-22
• 2.2 數(shù)字外設(shè)子系統(tǒng)組成22-23
• 2.3 外設(shè)子系統(tǒng)各組件及相關(guān)SFR說明23-33
• 2.3.1 SMBus總線23-25
• 2.3.2 UART端口25-28
• 2.3.3 SPI總線28-30
• 2.3.4 PCA可編程計(jì)數(shù)器陣列30-32
• 2.3.5 定時(shí)/計(jì)數(shù)器32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 數(shù)字外設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)34-56
• 3.1 數(shù)字外設(shè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案34-35
• 3.2 SMBUS總線設(shè)計(jì)35-42
• 3.2.1 SMBus總線時(shí)序關(guān)系35-36
• 3.2.2 SMBus RTL設(shè)計(jì)36-38
• 3.2.3 SMBus的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)38-42
• 3.3 UART端口設(shè)計(jì)42-47
• 3.3.1 UART端口時(shí)序關(guān)系42-44
• 3.3.2 發(fā)送模塊RTL設(shè)計(jì)44-46
• 3.3.3 接收模塊RTL設(shè)計(jì)46
• 3.3.4 UART的多機(jī)通信模塊RTL設(shè)計(jì)46-47
• 3.4 SPI總線設(shè)計(jì)47-50
• 3.4.1 SPI總線時(shí)序關(guān)系47-48
• 3.4.2 SPI總線RTL設(shè)計(jì)48-50
• 3.5 PCA設(shè)計(jì)50-52
• 3.5.1 PCA定時(shí)/計(jì)數(shù)器RTL設(shè)計(jì)50
• 3.5.2 PCA捕捉/比較模塊RTL設(shè)計(jì)50-52
• 3.6 定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)52-54
• 3.6.1 timer0/1 RTL設(shè)計(jì)53
• 3.6.2 timer2/4 RTL設(shè)計(jì)53-54
• 3.6.3 timer3 RTL設(shè)計(jì)54
• 3.7 交叉開關(guān)設(shè)計(jì)54-55
• 3.8 本章小結(jié)55-56
• 第四章 基于FPGA的系統(tǒng)級(jí)集成與驗(yàn)證56-78
• 4.1 內(nèi)核與外設(shè)的通信機(jī)制56-58
• 4.1.1 SFR總線設(shè)計(jì)方案56-57
• 4.1.2 SFR總線時(shí)序關(guān)系57-58
• 4.2 內(nèi)核與外設(shè)的集成58-61
• 4.3 驗(yàn)證計(jì)劃與驗(yàn)證方法61-63
• 4.3.1 驗(yàn)證計(jì)劃61-63
• 4.3.2 驗(yàn)證方法63
• 4.4 外設(shè)子系統(tǒng)功能驗(yàn)證63-70
• 4.4.1 SMBus功能驗(yàn)證64-65
• 4.4.2 UART功能驗(yàn)證65-67
• 4.4.3 SPI功能驗(yàn)證67
• 4.4.4 PCA功能驗(yàn)證67-68
• 4.4.5 定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能驗(yàn)證68-69
• 4.4.6 交叉開關(guān)功能驗(yàn)證69-70
• 4.5 基于FPGA的系統(tǒng)級(jí)原型驗(yàn)證70-77
• 4.5.1 FPGA原型驗(yàn)證概述70
• 4.5.2 驗(yàn)證平臺(tái)的FPGA移植70-71
• 4.5.3 FPGA系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證方案71-73
• 4.5.4 復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的FPGA原型驗(yàn)證73
• 4.5.5 中斷實(shí)現(xiàn)流水燈73-74
• 4.5.6 微控制器通過UART向PC發(fā)送數(shù)據(jù)74
• 4.5.7 產(chǎn)生PWM波74-75
• 4.5.8 微控制器通過SPI向外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)75
• 4.5.9 基于C8051F的FFT算法實(shí)現(xiàn)75-77
• 4.6 本章小結(jié)77-78
• 第五章 總結(jié)與展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-82
• 致謝82-84
• 作者簡(jiǎn)介84-85

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1041264