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 ==2.1.2 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。 ==2.1.5 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。
==2.1.7 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。
==2.1.8 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。 ===2.2 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。
==2.2.1 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）。 ==2.2.3 oc8051bregister== B寄存器是简单的位寻址寄存器没有特殊功能 ==2.2.4 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。 ==2.2.7 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。 ==2.3.1 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。

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。

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。

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

选择外部空间地址：R0或R1 （等同于间接寻址） 或者 DPTR。

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。

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）。

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。

选择程序空间地址： (1)PC； (2)DPRT （只在MOVC指令下有效）。

要获得完整的概述，我们需要查看三个时钟周期。
第一个时钟周期：尚未获取指令。基于PC先前值和操作码，计算出新的PC值。作为下一条指令的地址。在下一步中，从程序存储器中获取新的操作码和操作数。
第二个时钟周期：同时是第一个执行周期。在此期间，操作代码被发送到oc8051pc模块，其中计算新PC，并且发送到oc8051decoder模块，其中置位所有控制信号。除内部数据存储器读地址信号外的所有信号都会延迟一个时钟周期（使用oc8051regX模块）。通过这种延迟，当下一个操作数从内部数据存储器被读取后，控制信号和其他可能的立即操作数被保存到寄存器中。
第三个时钟周期：同时是第二个执行周期。在这一周期信号到达目的地。使用oc8051alusrc1和oc8051alusrc2，选择ALU操作数。执行ALU中的操作，并将结果写入存储器中的选定地址。

大多数指令的执行过程如上所述。 程序跳转指令和程序存储器读取指令（MOVC）例外。在接下来的章节中，我们将介绍指令组及其特定功能。 ===3.1 算术和逻辑指令=== 这些指令的主要特征是我们必须定义ALU操作数和ALE运算。 除了两个例外：MUL（乘法）指令Div（除）指令。 这两个指令的不同之处在于结果。 当执行MUL或DIV时，我们得到16位结果，其中一半保存到B寄存器（result1），后半部分（result2）保存到ACC。 如果结果通常写入B寄存器，则设置wad2信号，并将第二个结果写入ACC，即可实现此目的。
另一个例外是INC DPTR指令，它对16位DPTR寄存器进行寻址。 前8位宽的值被发送给ALE source3，0被转发到source2，输入进位被设置为1，然后运算执行。
可以执行的指令
- ADD add
- ADDC add with carry
- SUBB subtract with carry
- INC increase by 1
- DEC decrease by 1
- MUL multiply
- DIV divide
- DA decimal adjust
- ANL logical and
- ORL logical or
- XRL logical xor
- CLR clear
- RL rotation left
- RLC rotation left with carry
- RR rotation right
- RRC rotation right with carry
- SWAP swap bits
===3.2 数据传输指令=== 该组包含不更改数据值的指令，它们只是将数据传输到另一个内存位置。 ALU操作固定为oc8051alunop，它仅将数据从输入传输到输出，从而将数据写入所需位置。 例外是使用ALE操作oc8051aluxch的switdh指令（XCH和XCHD）。
该指令组还包含外部存储器处理的指令。 下图显示了管理外部数据存储器的内核细节。 读取地址选择oc8051extaddrsel multiplekser，输入数据在下一个时钟周期可用。 数据像multikser上的选项一样可用，我们选择ALE源1.通过正常程序，数据被写入内部存储器。 写入时我们只需要地址和writex信号，输出引脚上应该有来自ACC的信号。

特殊指令也用来从程序存储器传送数据。这次使用另一个选择器（oc8051romaddrsel）来选择地址，该选择器不会发送PC 的值，而是发送ALU 运算结果给输出。下一时钟周期收到的数据作为立即操作数。这个指令花费两个时钟周期。
- MOV
- PUSH
- POP
- XCH
- XCHD

位操作指令和逻辑运算指令类似，区别在于他们用位输入和ALU进位代替了ALU 输入，结果可以通过ALU 输出。
使用位指令时，需要特别留意选择ALU运算。利用oc8051cyselect选择ALU的进位输入，我们有四个选项：PSW （PSW.7），空间的位输出，逻辑1或逻辑0。
前两个选项用在运算中，后两个用来给特定位的置位（或复位）

该组还包含跳转指令（JC，JNC，JB，JNB和JBC），下一节将对此进行更详细的描述。
Other instructions in this group are:
- ANL
- ORL
- MOV
- CLR
- SETB
- CPL

转移指令和其它指令不太类似。这些指令改变PC 值，以致不得不停止流水线，等待从新地址取得第一条指令。利用花费时间的不同，将这类指令分成三组：
第一组指令需要两个时钟周期。这组指令让新的PC 值作为立即操作数。利用这组指令，新的数值被写入 PC，然后等待新的指令。
第二组指令需要三个时钟周期。该组指令是变址寻址（间接）转移指令，它是将累加器A中的8位数和数据指针DPTR中的16位数相加，形成16位的转移目标地址送给PC，而不改变A和DPTR的内容，不影响标志位。
Instructions in this group are:
- JC
- JNC
- JB
- JNB
- JBC
- SJMP
- JMP
- JZ
- JNZ
最后一组指令需要四个时钟周期。
These instructions are:
- CJNE, 类似于前一组的指令，但需要另一个时钟周期来设置进位标志
- RET
- RETI

控制寻址模式的有两个模块：oc8051ramrdsel 和 oc8051ramwrsel。
利用这两个模块，我们可以选择要读取的地址或要写入的地址。操作数利用oc8051immediatesel 选择。
利用 oc8051alusrc1sel 和 oc8051alusrc2sel ，可以选择是从数据存储器或是ACC或是理解操作数中，读取数据
不同的寻址模式：
- 直接寻址：我们选择具有多路复用器的直接地址（读取OC8051RRSD - 操作数2，写入OC8051RWSD操作数2和OC8051RWSD3操作数3），并将来自程序存储器的数据发送到总线。
- 间接寻址：对于间接寻址，使用来自所选寄存器组的寄存器R0和R1，模块oc8051indiaddr用于此，模块保存可能有用的寄存器，然后考虑选择哪个寄存器组，操作码的最后一位选择寄存器我们可能需要。用于地址选择的多用户（oc8051RRSI和oc8051RWSI）必须设置为间接寻址。堆栈管理也属于这组指令。使用模块oc8051RRSSP和oc8051RWSSP，我们在寻址总线上获得堆栈指针值，模块oc8051sp用于增加或减少指针值。
- 寄存器寻址：当我们使用寄存器寻址时，必须使用OC8051RRSRN和OC8051RWSRN多路复用器选择地址。最后的物理地址从操作码的最后三位和两位用于选择寄存器组。高三位始终为零。
- 特殊寄存器寻址：这些指令主要针对累加器。选择ACC读取ALU源选择复用器。使用oc8051ramwrsel 复用器选择写入ACC，这提供ACC写入作为选项之一（OC8051RWSACC）。还有一些特定于B寄存器或DPTR的指令。该指令在oc8051opselect模块中被截获，所需地址被放入第二结果总线并被视为直接寻址。
- 立即数寻址：在此寻址模式下，常量的值跟在操作码之后。由于限制，总是从内存中传递三个字节，因此它们也是立即可用的。我们选择与oc8051immediatesel 复用器一起使用哪一个，然后选择ALU源的立即操作数。该组还包括程序计数器，因此它也可用于调用子程序和相对寻址。
- 索引寻址：该寻址模式仅在寻址程序存储器时使用。在此模式下，使用oc8051romaddrsel 复用器。在计算下一个地址时，将发送ALE结果而不是PC。数据在下一个时钟周期中作为立即操作数被接收。

====4 中断==== 由模块oc8051int管理中断处理。 该模块截取中断，定义中断程序的地址并向下一个模块发送中断请求。 如果中断被启用且没有更高（或相同）优先级的任何一个已经处理，则模块设置int信号并将中断程序地址写入intv总线。 该中断请求被发送到oc8051opselect模块，该模块停止当前程序的执行并开始执行LCALL指令。 当中断程序结束时（使用RETI指令），oc8051decoder设置reti信号并与oc8051int模块通信中断处理完成，因此程序可以在此优先级上中断
====仿真和移植==== 使用quartus和modelsim仿真oc8051.pdf ====参考来源==== * opencores的设计文档oc8051_design.doc
* 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。