电子与嵌入式系统设计丛书：8051软核处理器设计实战 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李新兵 著

图书标签:

• 8051
• 单片机
• 嵌入式系统
• 软核处理器
• FPGA
• Verilog
• 数字电路
• 系统设计
• 实战
• 电子工程

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111489740

版次：1

商品编码：11662265

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 电子与嵌入式系统设计丛书

开本：16开

出版时间：2015-03-01

用纸：胶版纸

页数：320

正文语种：中文

内容简介

　　《电子与嵌入式系统设计丛书：8051软核处理器设计实战》以基于8051指令集的软核处理器实现和应用为主线，系统介绍了数字系统设计的主要技巧和基于FPGA构建嵌入式系统的主要难点。并深入浅出地介绍了基于8051的软核处理设计，从8051的架构模型、111条指令的功能作用及其对应的Verilog描述，以及如何用Verilog语言构建8051软核处理器的主体程序并向其中添加8051的111条指令，全面详细地介绍了8051软核处理器的实现过程及对其的验证方法，并借助大量形象的比喻帮助读者理解。

目录

前言
第1章 8051架构描述
1.1 引言
1.2 8051处理器基本模型
1.3 8051的接口
1.4 8051架构的重要硬件和性能
1.5 8051的存储器架构
1.6 8051的重要寄存器
1.7 结束语

第2章 8051的指令集
2.1 引言
2.2 8051指令集综述
2.3 指令的寻址方式
2.4 指令的分类详解
2.4.1 算术操作指令
2.4.2 逻辑操作指令
2.4.3 数据转移指令
2.4.4 布尔变量操作指令
2.4.5 程序跳转指令
2.5 指令执行对PSW的影响
2.6 结束语

第3章 8051中断与Keil开发工具
3.1 引言
3.2 Keil软件概览
3.3 设计工程初探
3.4 Keil工程的配置与输出
3.5 新建工程与调试
3.6 8051中断与中断程序编写
3.7 结束语

第4章 Verilog硬件描述语言基础
4.1 引言
4.2 简单RTL设计
4.3 基本语法要素
4.4 数据类型
4.4.1 基本数值
4.4.2 数据类型：net
4.4.3 数据类型：variable
4.4.4 参数：parameter和localparam
4.5 表达式
4.5.1 操作数
4.5.2 操作符
4.6 赋值语句
4.6.1 连续赋值语句
4.6.2 过程赋值语句
4.6.3 过程连续赋值语句
4.7 块语句
4.7.1 begin…end与fork…join语句
4.7.2 条件控制语句
4.7.3 case语句
4.7.4 循环语句
4.8 task和function语句
4.9 时间控制
4.10 层次化架构
4.11 结束语

第5章 如何使用Verilog语言进行设计
5.1 引言
5.2 Verilog RTL的基本格式
5.2.1 组合逻辑电路描述
5.2.2 时序逻辑电路描述
5.3?Verilog RTL 的描述方法
5.4 结束语

第6章 8051软核处理器设计流程
6.1 引言
6.2 8051软核处理器的接口信号
6.3 8051软核处理器的基本架构
6.4 软核处理器基本函数定义
6.5 软核处理器主体程序解读
6.6 算术操作指令的添加
6.7 逻辑操作指令的添加
6.8 数据转移指令的添加
6.9 布尔变量操作指令的添加
6.10 程序跳转指令的添加
6.11 结束语

第7章 8051软核处理器的验证与应用
7.1 引言
7.2 8051软核处理器的验证
7.3 8051软核处理器的应用
7.4 结束语

前言/序言

电子与嵌入式系统设计丛书：8051软核处理器设计实战 内容简介 本书致力于为读者深入解析8051微控制器的软核处理器设计原理及其在实际嵌入式系统开发中的应用。本书并非仅仅罗列枯燥的技术概念，而是通过系统性的讲解、详实的实例以及循序渐进的训练，帮助读者构建起对8051软核处理器从宏观架构到微观实现的全方位认知。我们希望本书能够成为您踏入嵌入式系统设计领域，尤其是掌握自主设计和优化微控制器核心的宝贵指南。 第一部分：软核处理器设计基础 在深入8051软核处理器之前，我们首先需要建立坚实的理论基础。本部分将从以下几个核心方面展开： 数字逻辑与计算机体系结构回顾： 数字逻辑基础： 我们将简要回顾逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）、组合逻辑（多路选择器、译码器、加法器等）和时序逻辑（触发器、寄存器、计数器等）的基本原理。这些是理解任何处理器内部电路设计的基石。 指令集架构 (ISA) 的概念： 详细阐述指令集架构的定义、重要性以及不同类型的指令（数据传输、算术逻辑、控制流、输入输出等）。我们将重点关注RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）的设计哲学，并为后续理解8051的指令集打下基础。 处理器核心基本模型： 介绍一个简化但具有代表性的处理器核心模型，包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、算术逻辑单元(ALU)、数据通路和控制单元。通过这个模型，读者可以初步了解指令是如何被 fetching（取指）、decoding（译码）、executing（执行）以及writing back（写回）的。 存储器层次结构与访问： 讨论指令存储器、数据存储器以及它们之间的交互方式。解释随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）的基本工作原理，以及它们在嵌入式系统中的作用。 时钟与同步： 讲解时钟信号在处理器工作中的关键作用，以及同步电路（如时序逻辑）如何确保指令执行的有序性和稳定性。 硬件描述语言 (HDL) 入门： Verilog/VHDL 简介： 本书将主要选用Verilog HDL作为描述语言（读者也可以根据自己的偏好选择VHDL，概念是相通的）。我们将介绍HDL的基本语法，包括模块声明、端口定义、数据类型、信号与变量、以及各种赋值语句。 行为级建模： 学习如何使用高层次的抽象来描述硬件功能，例如使用always块、if-else语句、case语句等来表达逻辑行为。 数据流建模： 掌握如何使用assign语句来描述信号之间的连续赋值关系，这对于建模组合逻辑非常有效。 结构级建模： 学习如何通过实例化（instantiation）其他模块来构建复杂的系统，这类似于电路图中的连线。 仿真与综合： 简要介绍HDL仿真在验证设计正确性中的重要性，以及综合工具如何将HDL代码转化为实际的门级网表。 第二部分：8051微控制器核心解析 在掌握了基础知识后，我们将聚焦于8051微控制器这一经典的嵌入式核心。本部分将深入剖析其架构和工作原理，并为软核设计做好准备。 8051 经典架构回顾： CPU 核心： 详细介绍8051的8位CPU，包括其寄存器组（累加器A、B寄存器、通用寄存器R0-R7、程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP、状态字PSW等）的功能和用途。 存储器组织： 深入理解8051的程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)的独立地址空间，以及内部RAM和外部RAM的访问方式。 并行I/O 端口： 详细讲解P0, P1, P2, P3这四个8位I/O端口的结构和工作模式（准双向、推挽、开漏等），以及如何通过读写端口寄存器来控制外设。 中断系统： 细致讲解8051的5个中断源（外部中断0/1, 定时器中断0/1, 串口中断）的优先级、中断向量、中断响应和中断返回机制。 定时器/计数器： 深入分析8051的两个16位定时器/计数器（Timer 0, Timer 1）的各种工作模式（模式0, 模式1, 模式2, 模式3）以及它们在定时和计数应用中的配置方法。 串行通信接口 (UART)： 详细阐述8051的串行通信原理，包括波特率生成、发送和接收过程、移位寄存器、状态位和控制位。介绍串行通信的不同模式（模式0, 模式1, 模式2, 模式3）。 指令集详解： 分类介绍8051的指令集，包括数据传输指令、算术指令、逻辑指令、位操作指令、跳转与调用指令、控制指令等。重点分析指令的寻址方式（立即数、直接、寄存器、寄存器间接、基址+变址、相对、相对跳转等）。 8051 的硬件实现概览（为软核设计铺垫）： 指令周期与机器周期： 解释指令周期、机器周期和时钟周期的关系，以及8051通常的机器周期（12个时钟周期）。 取指、译码、执行流程： 概括8051 CPU如何执行一条指令，包括PC的递增、指令从程序存储器读取、指令译码以及ALU进行计算等基本流程。 内部总线结构： 简单介绍8051内部数据总线、地址总线和控制总线的基本概念，它们如何连接CPU、存储器和I/O接口。 第三部分：8051 软核处理器设计实战 本部分将是本书的重点和核心，我们将带领读者一步步使用HDL从零开始设计一个可工作的8051软核处理器。 软核处理器设计的理念与优势： 什么是软核处理器： 解释软核处理器的定义，即使用HDL语言在FPGA或ASIC上实现的处理器。 软核设计的优势： 讨论相较于硬核（ASIC）和标准IP核，软核设计的灵活性、可定制性、成本效益、以及快速原型验证的能力。 与硬核的区别： 强调软核与硬核在性能、功耗、面积和设计流程上的主要差异。 模块化设计与Verilog实现： CPU 核心模块： 程序计数器 (PC) 模块： 设计PC的递增逻辑，包括分支跳转和调用子程序的处理。 指令寄存器 (IR) 模块： 实现指令的存储和译码输入。 算术逻辑单元 (ALU) 模块： 实现8051指令所需的各种算术（加、减、乘、除、增1、减1）和逻辑（AND, OR, XOR, NOT, RRC, RLC, RR, RL, SWAP）运算。 寄存器组模块： 实现8051的通用寄存器R0-R7、累加器A、B寄存器、DPTR、SP等寄存器的读写逻辑。 控制单元模块： 这是CPU的核心，负责根据指令的op-code（操作码）和当前的指令周期状态，生成相应的控制信号，指挥ALU、寄存器、存储器等模块工作。我们将深入讲解状态机（Finite State Machine, FSM）在控制单元设计中的应用。 存储器接口模块： 程序存储器接口： 实现PC到程序存储器的地址总线输出，以及从程序存储器读取指令的逻辑。 数据存储器接口： 实现数据地址总线、读写控制信号以及数据总线与CPU的数据通路连接。 I/O 端口模块： 端口结构： 使用Verilog实现8051的P0, P1, P2, P3端口的输入输出缓冲器和锁存器。 端口控制逻辑： 实现对端口方向（输入/输出）和数据读写的控制。 中断控制器模块： 中断请求处理： 实现对各个中断源的请求信号的检测。 中断优先级管理： 实现中断优先级逻辑，决定哪个中断被优先响应。 中断向量生成： 实现中断发生时跳转到对应中断向量的机制。 中断允许/禁止控制： 实现全局中断允许/禁止（EA）和单个中断源的允许/禁止（ETx, EXx）控制。 定时器/计数器模块： 计数器逻辑： 实现定时器/计数器的时钟输入和计数逻辑。 工作模式控制： 实现不同工作模式（模式0-3）下的功能配置。 定时/计数溢出检测： 实现定时/计数溢出标志的生成。 串行通信 (UART) 模块： 发送器： 实现串行数据的发送缓冲和移位逻辑。 接收器： 实现串行数据的接收缓冲和移位逻辑。 波特率发生器： 实现通过定时器或专用波特率发生器生成正确的通信波特率。 状态与控制寄存器： 实现SBUF, SCON等控制寄存器的功能。 整体系统集成与总线设计： 内部总线架构： 设计CPU核、存储器接口、I/O接口之间的内部总线连接，包括地址总线、数据总线和控制总线。 时序约束与时钟域： 讨论系统时钟的选择，以及如何进行时序约束以满足FPGA/ASIC的时序要求。 复位逻辑： 设计系统复位逻辑，确保处理器能够从一个已知的稳定状态开始工作。 第四部分：软核处理器验证与系统应用 设计出软核处理器并非终点，如何验证其正确性并将其集成到实际系统中是关键。 仿真验证策略： 测试平台 (Testbench) 设计： 学习如何使用Verilog编写功能强大的测试平台，包括激励生成、仿真波形分析、以及设计正确性的自动检查。 指令集仿真： 编写测试向量，验证软核处理器是否能够正确执行8051的全部指令，包括各种寻址模式和复杂指令。 中断与定时器/计数器功能验证： 设计特定场景的测试用例，验证中断响应的准确性和定时器/计数器的定时精度。 串行通信功能验证： 模拟发送和接收数据，验证UART模块的通信可靠性。 联合仿真： 将软核处理器与外围IP核（如UART、SPI、I2C等）一起仿真，验证整个嵌入式系统的协同工作能力。 FPGA/ASIC 实现与部署： 综合 (Synthesis)： 介绍使用EDA工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）将HDL代码综合成门级网表的流程。 布局布线 (Place & Route)： 讲解在目标FPGA/ASIC器件上进行布局布线，将门级网表映射到实际的逻辑资源。 时序分析与优化： 学习如何进行静态时序分析（STA），识别并解决时序违规问题，以确保设计在目标时钟频率下稳定运行。 下载与硬件调试： 介绍如何将配置比特流下载到FPGA开发板，并使用逻辑分析仪等工具进行硬件调试。 实际系统应用案例： 一个简单的基于8051软核的嵌入式系统： LED 控制系统： 设计一个简单的LED闪烁程序，通过软核处理器控制GPIO输出。 按键输入采集： 设计一个读取按键状态并进行响应的程序，使用软核处理器控制GPIO输入。 定时器驱动的事件： 利用定时器模块实现周期性任务，例如定时更新显示屏或控制电机。 串口通信实验： 使用UART模块实现与PC或其他设备的串行数据交换，例如发送传感器数据或接收控制命令。 更复杂的应用场景（选讲）： 简单的ADC/DAC 接口： 介绍如何将软核处理器与ADC/DAC芯片连接，实现数据采集和输出。 SPI/I2C 通信接口： 简要说明如何为软核处理器添加SPI或I2C通信接口，以连接更多的传感器和外设。 在SoC（System on Chip）中的应用： 讨论如何将8051软核处理器集成到更大的SoC设计中，与其他IP核协同工作。 第五部分：进阶主题与未来展望 指令集扩展与定制： 讨论如何根据特定应用需求，在8051指令集的基础上进行扩展，例如添加DSP指令或自定义指令。 流水线设计 (Pipelining)： 介绍简单的流水线技术，如两级或三级流水线，如何提高处理器的吞吐量。 低功耗设计技术： 简要介绍在软核设计中考虑功耗的策略，例如时钟门控。 处理器性能评估： 讲解如何使用DMIPS/MHz等指标来评估软核处理器的性能。 现代嵌入式处理器的趋势： 简要提及RISC-V等新兴处理器架构，并分析其与8051等经典架构的异同。 本书旨在为读者提供一条从理论到实践的完整路径，帮助您掌握8051软核处理器设计的核心技能。通过大量的实例和详细的设计步骤，您将能够独立完成自己的嵌入式系统设计，并对微控制器的工作原理有更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校的电子工程专业的学生，最近在准备毕业设计。毕业设计的方向是关于低功耗物联网设备的开发，其中涉及到大量的传感器数据采集和预处理。在查阅了大量资料后，我发现8051微控制器非常适合作为这类设备的控制核心，因为它功耗低，外围接口丰富，而且生态成熟。但是，标准的8051芯片在一些特殊需求上可能存在局限性，比如需要更高的处理速度或者更精细的功耗管理。这时，“软核处理器”这个概念就引起了我的注意。我了解到，通过软核设计，可以根据具体应用的需求来定制处理器的架构和指令集，从而达到最优的性能和功耗比。这本书的标题，特别是“设计实战”几个字，让我觉得它很有可能提供了具体的指导和方法，帮助我完成我的毕业设计。我希望书中能够包含从需求分析到最终实现的完整流程，并且提供一些实际的例程，让我能够快速上手。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，虽然不算特别华丽，但透着一股扎实的专业感。封面的配色，深邃的蓝和稳重的灰，搭配上简洁的字体，一下子就把我的思绪拉到了那些充满挑战但又充满乐趣的电子设计时光。我一直对微处理器特别是8051这类经典架构的底层设计非常感兴趣，总觉得深入理解它们，才能真正掌握嵌入式系统的核心。当我看到这本书的副标题“8051软核处理器设计实战”时，我的心就立刻被提了起来。软核处理器，这四个字本身就充满了无限可能，它意味着更高的灵活性，更低的功耗，以及在特定应用中无与伦比的定制化能力。这本书的出现，无疑为我打开了一扇新的大门，让我有机会去探索如何从零开始构建一个属于自己的8051软核，这其中的挑战和收获，想想都令人兴奋。我期待着书中能够详细介绍软核的架构设计、HDL语言的运用、以及如何将其集成到FPGA平台上的具体流程。如果书中还能涉及一些实际的案例分析，比如如何针对某个特定应用场景去优化软核的设计，那就更加完美了。

评分☆☆☆☆☆

最近在研究数字信号处理，尤其是涉及到实时性要求非常高的应用场景，对处理器的性能和功耗权衡越来越看重。这本书的出现，简直就像及时雨。8051虽然是一个经典的架构，但如果能够通过软核的形式进行设计和优化，那在某些领域，比如物联网终端、低功耗传感器节点等方面，依然有巨大的潜力。我一直对FPGA平台上的设计流程充满好奇，而软核处理器恰恰是将软件的思想和硬件的实现完美结合的典范。我希望书中能详细阐述如何从逻辑门级别开始，一步步构建出完整的8051软核。这不仅仅是关于代码的编写，更是关于对计算机体系结构、时序逻辑、状态机等核心概念的深刻理解。我相信，通过这本书的学习，我不仅能够掌握8051软核的设计方法，更能提升自己在嵌入式系统硬件层面的设计能力，为我后续的研究和项目开发打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对那些“看得见摸得着”的电子硬件都情有独钟，特别是当你可以亲手去设计和实现一个核心部件的时候，那种成就感是无与伦比的。8051作为微控制器界的“常青树”，它的指令集和架构深入人心，但将它以软核的形式进行设计，这对我来说是一个全新的概念，也是我一直想要尝试的方向。我曾经在一些项目中遇到过对处理器性能和功耗有极致要求的场景，当时就萌生了自定义处理器的想法，但苦于没有合适的切入点。这本书的出现，正好填补了这个空白。我非常期待书中能够详细讲解如何使用Verilog或VHDL这样的硬件描述语言来描述8051的各个功能模块，如何进行仿真验证，以及最终如何将其部署到FPGA开发板上。如果书中能提供一些可供参考的IP核或者代码示例，那将大大加速我的学习进程。

评分☆☆☆☆☆

我是一名有多年嵌入式开发经验的工程师，在工作中接触过各种各样的微处理器和微控制器，但总觉得对底层硬件的理解还不够深入。8051作为一个经典的8位微控制器，虽然现在可能不是性能最强劲的，但其简洁的架构和丰富的指令集，仍然是学习和理解微处理器工作原理的绝佳范例。这本书的“软核处理器设计实战”这个主题，一下子就抓住了我的兴趣点。软核设计，意味着你可以摆脱现有芯片的束缚，根据实际需求去构建一个最适合的处理器。我非常期待书中能够详细讲解8051软核的设计思路，包括如何将一个复杂的处理器分解成可管理的逻辑模块，如何使用硬件描述语言进行建模，以及如何在FPGA平台上实现和验证。如果书中还能提供一些关于如何对软核进行性能优化和功耗分析的技巧，那就更好了。我相信，通过这本书的学习，我能够更深入地理解微处理器的内部工作原理，提升我在硬件设计和优化的能力。