MCS51单片机反向解剖以及正向设计的研究 第3页
3.采用结构化的设计方法
结构化的设计方法就是将一个复杂系统分解成多个层次独立的子模块，然后
分别进行设计。由于每个层次独立于其上层的设计进程，这样，设计者能够并行
地进行子模块的设计与仿真，并且对子模块的设计修改只影响该模块本身，而不
会影响到其它的子模块。总之，用结构化的设计方法不但可以大大降低设计的复
杂度，而且可以提高开发效率。
4.采用设计再利用的设计方法
由于集成电路规模的不断增大，设计者如果从头实现一个硬件系统的设计不
仅需要很长的设计开发时间和大量的NRE(Non一recurringEngineering)费
用，产品还可能会彻底失去市场。因此，IC设计者在设计过程中需要大量复用
自行设计开发或其它第三方拥有知识产权的IP(Intelligentproperty)模块。
设计再利用避免重复设计，调用已有的库单元组件、IP模块，并在此基础上考
虑系统新的功能以及与IP模块的接口部分，就能完成硬件系统设计。运用IP复
用的设计方法使芯片设计提高到一个较高的层次上，因此IC设计者可以把注意
力更多的集中在系统级设计上。
芯片设计进入到系统级设计之后，通常要包含CPU、DSP等核心模块的设
计。因此，除了采用自上至下、硬件描述语言、结构化设计、设计再利用等方法
之外，软、硬件的联合设计、协同开发也成为目前IC设计者所关注的热点{14}。
如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能，如何实现软、硬件之间的信息传递
必须被充分考虑。系统中软件实现功能的增加不但降低升级费用，还增强了设计
的灵活性，并且进一步缩短了芯片的设计时间。
1.4我们的工作
1.研究目的和意义
集成电路进入了超大规模阶段以后，知识产权模块，即IPcore的开发与使
用成为目前片上系统设计中最主要的设计方法之一。而我国大规模集成电路的设
计水平、设计能力与国外相距甚远，没有自主知识产权的微电子产业对于一个微
电子设计公司，乃至一个大国的经济与国防，都是一件难以想象的事情。
MCS一51系列单片机的应用领域相当广泛，从家用电器、工业控制到智能
仪表仪器等，到处都可以用到MCS一51单片机。而且芯片内部的MCU设计技
第一章绪论
术也是目前集成电路设计领域以及电子信息领域的一项核心技术。因此MCS一51
单片机的反向解剖和自主知识产权正向模块的设计，对于一家微电子设计公司和
设计人员的技术积累，掌握真实的工业设计经验，对于一个国家知识产权模块库
的储备都具有重要的意义。
2.我们的工作
我们所做的工作主要分成两大部分:反向解剖和正向设计。反向解剖也就是
逆向设计部分，要首先对所选取的芯片进行解剖、腐蚀、拍照;然后提取并整理
逻辑图，同时进行版图设计，逻辑图版图一致性验证;对LVS验证通过的电路
进行仿真，以便保证芯片功能实现的正确性;最后可以在原电路的基础上，优化
设计或者按照用户需要进行电路的改进。正向设计部分则通过对MCS一51单片
机逻辑功能、内部结构、时序波形和指令节拍的分析，首先要进行系统功能的设
计;然后对顶层功能模块细化，用VHDL语言编写各子功能模块的源代码;当
功能模块仿真通过后，再进行语言的综合以及后仿真。总之，通过反向解剖和正
向设计，希望可以实现一个可重复使用的硬核模块，初步完成一个RTL级VHDL
语言的软核模块，并且积累一定的、真实的工业设计经验。
3.论文的结构
本论文共分为五章:
第一章绪论，介绍了集成电路的现状、发展趋势，当前集成电路的设计方法
以及本论文工作的意义。
第二章MCS一51单片机的原理，介绍了MCS一51单片机的内部结构、时序
分析、指令系统，并且对指令集进行了分类检索和特征提取。
第三章MCS一51单片机芯片的反向解剖，介绍了反向解剖的流程、版图的
设计规则，分析了芯片中的基本电路、功能电路，并对硬核进行了仿真。
第四章MCS一51单片机芯片的正向设计，介绍了芯片中部分功能模块的设
计、仿真、综合，对使用VHDL进行代码设计的可综合性问题做了探讨。
第五章总结与展望，总结了论文的工作，并对将来的工作设想做了介绍。
第二章MCS一51单片机的原理
第二章MCS一51单片机的原理
2.1MCS一51单片机芯片的概述
单片机SCM(SingleChipMieroeomputer)，即MieroController，是把
微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微处
理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出口(1/0口)和定时器/计数器、中
断系统等功能部件【15]。单片机自70年代出现以来，已经有了很大的发展，被
广泛应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。例
如:单片机与传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化，成为新
一代的机、电一体化产品;利用单片机来构成各种工业控制系统、数据采集系统
等;在大型工业测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行
工作，可以大大提高系统运行速度。
目前国内以Intel公司MCS一48、MCS一51、MCS一96为主流系列产品，其
中MCS一51系列单片机的应用最为广泛。MCS一51单片机双列直插式封装为40
引脚(PIN)芯片，如图2一1所示。按功能其引脚可分为三部分:
0987台54321098765423，43333333333222222222户i，O
户1.1
户1。2
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《RXO)户3.0
(下XO)户3，1
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(内喊)户3，6
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户2.3(Al，)
户2.2(A10)
户之一1(Ag)
户2一O(AS)
图2一1MCS一51单片机芯片引脚图
①I/O口:PO、Pl、PZ、P3共4个8位并行口，其中P3端口是双功能
第二章MCS一51单片机的原理
口，具有的第二功能如图2一1中所示。RXD为串行输入口，TXD为串行输出口，
1瓦了劝、丽
.
石分别为外部中断O、1的输入，TO、Tl分别为定时器/计数器0、1
的外部输入，认艰对应于外部数据存储器的写选通，而则对应于外部数据存储器
的读选通。
②控制线PSEN(片外取指控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择
控制)、RESET(复位控制);
③电源以及时钟:Vcc、Vss、XTALI、XTALZ
2.2Mcs一51单片机的内部结构与工作原理
1.Mcs一51单片机的内部结构
8051是MCS一51系列单片机的最初产品，也是MCS一51器件的核心。8051
核的主要特征包括!161:
①64K程序存储器地址空间和64K数据存储器地址空间;
②4K字节的片上程序存储器和128字节的片上数据RAM
③8一bit最优化的用于控制应用程序的CPU;
④广泛的布尔处理能力(single一bitlogie);
⑤两个16一bit定时器/计数器;
⑥全双工URAT(通用异步接收发送器);
⑦具有两个优先级的5个中断源;
⑧32个双向并可分别设定地址的1/0口;
⑨一个片内振荡器。
MCS一51单片机的内部结构主要由8个部件组成，即微处理器(CPU)、数
据存储器(RAM)、程序存储器、I/O口(PO口、pl口、PZ口、P3口)、串行
口、定时器/计数器、中断系统和特殊寄存器(SFR)。其中，微处理器由运算器
和控制逻辑组成，主要包括累加器(ACC)、B寄存器、临时存储器(TMPI、
TMPZ)、算术运算单元ALU等。特殊功能寄存器SFR(SpeeialFunetion
Register)是用来对片内各功能单元进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态
寄存器，是位于片内数据存储器上的一个特殊功能的RAM区，其地址范围为
SOH一FFH。SFR主要包括PO口锁存器、Pl口锁存器、PZ口锁存器、P3口
锁存器、串行口控制寄存器SCON、中断允许寄存器IE、定时器/计数器控制寄
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