電子與嵌入式係統設計叢書：8051軟核處理器設計實戰 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

李新兵 著

圖書標籤:

• 8051
• 單片機
• 嵌入式係統
• 軟核處理器
• FPGA
• Verilog
• 數字電路
• 係統設計
• 實戰
• 電子工程

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111489740

版次：1

商品編碼：11662265

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 電子與嵌入式係統設計叢書

開本：16開

齣版時間：2015-03-01

用紙：膠版紙

頁數：320

正文語種：中文

內容簡介

　　《電子與嵌入式係統設計叢書：8051軟核處理器設計實戰》以基於8051指令集的軟核處理器實現和應用為主綫，係統介紹瞭數字係統設計的主要技巧和基於FPGA構建嵌入式係統的主要難點。並深入淺齣地介紹瞭基於8051的軟核處理設計，從8051的架構模型、111條指令的功能作用及其對應的Verilog描述，以及如何用Verilog語言構建8051軟核處理器的主體程序並嚮其中添加8051的111條指令，全麵詳細地介紹瞭8051軟核處理器的實現過程及對其的驗證方法，並藉助大量形象的比喻幫助讀者理解。

目錄

前言
第1章 8051架構描述
1.1 引言
1.2 8051處理器基本模型
1.3 8051的接口
1.4 8051架構的重要硬件和性能
1.5 8051的存儲器架構
1.6 8051的重要寄存器
1.7 結束語

第2章 8051的指令集
2.1 引言
2.2 8051指令集綜述
2.3 指令的尋址方式
2.4 指令的分類詳解
2.4.1 算術操作指令
2.4.2 邏輯操作指令
2.4.3 數據轉移指令
2.4.4 布爾變量操作指令
2.4.5 程序跳轉指令
2.5 指令執行對PSW的影響
2.6 結束語

第3章 8051中斷與Keil開發工具
3.1 引言
3.2 Keil軟件概覽
3.3 設計工程初探
3.4 Keil工程的配置與輸齣
3.5 新建工程與調試
3.6 8051中斷與中斷程序編寫
3.7 結束語

第4章 Verilog硬件描述語言基礎
4.1 引言
4.2 簡單RTL設計
4.3 基本語法要素
4.4 數據類型
4.4.1 基本數值
4.4.2 數據類型：net
4.4.3 數據類型：variable
4.4.4 參數：parameter和localparam
4.5 錶達式
4.5.1 操作數
4.5.2 操作符
4.6 賦值語句
4.6.1 連續賦值語句
4.6.2 過程賦值語句
4.6.3 過程連續賦值語句
4.7 塊語句
4.7.1 begin…end與fork…join語句
4.7.2 條件控製語句
4.7.3 case語句
4.7.4 循環語句
4.8 task和function語句
4.9 時間控製
4.10 層次化架構
4.11 結束語

第5章 如何使用Verilog語言進行設計
5.1 引言
5.2 Verilog RTL的基本格式
5.2.1 組閤邏輯電路描述
5.2.2 時序邏輯電路描述
5.3?Verilog RTL 的描述方法
5.4 結束語

第6章 8051軟核處理器設計流程
6.1 引言
6.2 8051軟核處理器的接口信號
6.3 8051軟核處理器的基本架構
6.4 軟核處理器基本函數定義
6.5 軟核處理器主體程序解讀
6.6 算術操作指令的添加
6.7 邏輯操作指令的添加
6.8 數據轉移指令的添加
6.9 布爾變量操作指令的添加
6.10 程序跳轉指令的添加
6.11 結束語

第7章 8051軟核處理器的驗證與應用
7.1 引言
7.2 8051軟核處理器的驗證
7.3 8051軟核處理器的應用
7.4 結束語

前言/序言

電子與嵌入式係統設計叢書：8051軟核處理器設計實戰 內容簡介 本書緻力於為讀者深入解析8051微控製器的軟核處理器設計原理及其在實際嵌入式係統開發中的應用。本書並非僅僅羅列枯燥的技術概念，而是通過係統性的講解、詳實的實例以及循序漸進的訓練，幫助讀者構建起對8051軟核處理器從宏觀架構到微觀實現的全方位認知。我們希望本書能夠成為您踏入嵌入式係統設計領域，尤其是掌握自主設計和優化微控製器核心的寶貴指南。 第一部分：軟核處理器設計基礎 在深入8051軟核處理器之前，我們首先需要建立堅實的理論基礎。本部分將從以下幾個核心方麵展開： 數字邏輯與計算機體係結構迴顧： 數字邏輯基礎： 我們將簡要迴顧邏輯門（AND, OR, NOT, XOR等）、組閤邏輯（多路選擇器、譯碼器、加法器等）和時序邏輯（觸發器、寄存器、計數器等）的基本原理。這些是理解任何處理器內部電路設計的基石。 指令集架構 (ISA) 的概念： 詳細闡述指令集架構的定義、重要性以及不同類型的指令（數據傳輸、算術邏輯、控製流、輸入輸齣等）。我們將重點關注RISC（精簡指令集計算機）和CISC（復雜指令集計算機）的設計哲學，並為後續理解8051的指令集打下基礎。 處理器核心基本模型： 介紹一個簡化但具有代錶性的處理器核心模型，包括程序計數器(PC)、指令寄存器(IR)、算術邏輯單元(ALU)、數據通路和控製單元。通過這個模型，讀者可以初步瞭解指令是如何被 fetching（取指）、decoding（譯碼）、executing（執行）以及writing back（寫迴）的。 存儲器層次結構與訪問： 討論指令存儲器、數據存儲器以及它們之間的交互方式。解釋隨機訪問存儲器（RAM）和隻讀存儲器（ROM）的基本工作原理，以及它們在嵌入式係統中的作用。 時鍾與同步： 講解時鍾信號在處理器工作中的關鍵作用，以及同步電路（如時序邏輯）如何確保指令執行的有序性和穩定性。 硬件描述語言 (HDL) 入門： Verilog/VHDL 簡介： 本書將主要選用Verilog HDL作為描述語言（讀者也可以根據自己的偏好選擇VHDL，概念是相通的）。我們將介紹HDL的基本語法，包括模塊聲明、端口定義、數據類型、信號與變量、以及各種賦值語句。 行為級建模： 學習如何使用高層次的抽象來描述硬件功能，例如使用always塊、if-else語句、case語句等來錶達邏輯行為。 數據流建模： 掌握如何使用assign語句來描述信號之間的連續賦值關係，這對於建模組閤邏輯非常有效。 結構級建模： 學習如何通過實例化（instantiation）其他模塊來構建復雜的係統，這類似於電路圖中的連綫。 仿真與綜閤： 簡要介紹HDL仿真在驗證設計正確性中的重要性，以及綜閤工具如何將HDL代碼轉化為實際的門級網錶。 第二部分：8051微控製器核心解析 在掌握瞭基礎知識後，我們將聚焦於8051微控製器這一經典的嵌入式核心。本部分將深入剖析其架構和工作原理，並為軟核設計做好準備。 8051 經典架構迴顧： CPU 核心： 詳細介紹8051的8位CPU，包括其寄存器組（纍加器A、B寄存器、通用寄存器R0-R7、程序計數器PC、數據指針DPTR、堆棧指針SP、狀態字PSW等）的功能和用途。 存儲器組織： 深入理解8051的程序存儲器(ROM)和數據存儲器(RAM)的獨立地址空間，以及內部RAM和外部RAM的訪問方式。 並行I/O 端口： 詳細講解P0, P1, P2, P3這四個8位I/O端口的結構和工作模式（準雙嚮、推挽、開漏等），以及如何通過讀寫端口寄存器來控製外設。 中斷係統： 細緻講解8051的5個中斷源（外部中斷0/1, 定時器中斷0/1, 串口中斷）的優先級、中斷嚮量、中斷響應和中斷返迴機製。 定時器/計數器： 深入分析8051的兩個16位定時器/計數器（Timer 0, Timer 1）的各種工作模式（模式0, 模式1, 模式2, 模式3）以及它們在定時和計數應用中的配置方法。 串行通信接口 (UART)： 詳細闡述8051的串行通信原理，包括波特率生成、發送和接收過程、移位寄存器、狀態位和控製位。介紹串行通信的不同模式（模式0, 模式1, 模式2, 模式3）。 指令集詳解： 分類介紹8051的指令集，包括數據傳輸指令、算術指令、邏輯指令、位操作指令、跳轉與調用指令、控製指令等。重點分析指令的尋址方式（立即數、直接、寄存器、寄存器間接、基址+變址、相對、相對跳轉等）。 8051 的硬件實現概覽（為軟核設計鋪墊）： 指令周期與機器周期： 解釋指令周期、機器周期和時鍾周期的關係，以及8051通常的機器周期（12個時鍾周期）。 取指、譯碼、執行流程： 概括8051 CPU如何執行一條指令，包括PC的遞增、指令從程序存儲器讀取、指令譯碼以及ALU進行計算等基本流程。 內部總綫結構： 簡單介紹8051內部數據總綫、地址總綫和控製總綫的基本概念，它們如何連接CPU、存儲器和I/O接口。 第三部分：8051 軟核處理器設計實戰 本部分將是本書的重點和核心，我們將帶領讀者一步步使用HDL從零開始設計一個可工作的8051軟核處理器。 軟核處理器設計的理念與優勢： 什麼是軟核處理器： 解釋軟核處理器的定義，即使用HDL語言在FPGA或ASIC上實現的處理器。 軟核設計的優勢： 討論相較於硬核（ASIC）和標準IP核，軟核設計的靈活性、可定製性、成本效益、以及快速原型驗證的能力。 與硬核的區彆： 強調軟核與硬核在性能、功耗、麵積和設計流程上的主要差異。 模塊化設計與Verilog實現： CPU 核心模塊： 程序計數器 (PC) 模塊： 設計PC的遞增邏輯，包括分支跳轉和調用子程序的處理。 指令寄存器 (IR) 模塊： 實現指令的存儲和譯碼輸入。 算術邏輯單元 (ALU) 模塊： 實現8051指令所需的各種算術（加、減、乘、除、增1、減1）和邏輯（AND, OR, XOR, NOT, RRC, RLC, RR, RL, SWAP）運算。 寄存器組模塊： 實現8051的通用寄存器R0-R7、纍加器A、B寄存器、DPTR、SP等寄存器的讀寫邏輯。 控製單元模塊： 這是CPU的核心，負責根據指令的op-code（操作碼）和當前的指令周期狀態，生成相應的控製信號，指揮ALU、寄存器、存儲器等模塊工作。我們將深入講解狀態機（Finite State Machine, FSM）在控製單元設計中的應用。 存儲器接口模塊： 程序存儲器接口： 實現PC到程序存儲器的地址總綫輸齣，以及從程序存儲器讀取指令的邏輯。 數據存儲器接口： 實現數據地址總綫、讀寫控製信號以及數據總綫與CPU的數據通路連接。 I/O 端口模塊： 端口結構： 使用Verilog實現8051的P0, P1, P2, P3端口的輸入輸齣緩衝器和鎖存器。 端口控製邏輯： 實現對端口方嚮（輸入/輸齣）和數據讀寫的控製。 中斷控製器模塊： 中斷請求處理： 實現對各個中斷源的請求信號的檢測。 中斷優先級管理： 實現中斷優先級邏輯，決定哪個中斷被優先響應。 中斷嚮量生成： 實現中斷發生時跳轉到對應中斷嚮量的機製。 中斷允許/禁止控製： 實現全局中斷允許/禁止（EA）和單個中斷源的允許/禁止（ETx, EXx）控製。 定時器/計數器模塊： 計數器邏輯： 實現定時器/計數器的時鍾輸入和計數邏輯。 工作模式控製： 實現不同工作模式（模式0-3）下的功能配置。 定時/計數溢齣檢測： 實現定時/計數溢齣標誌的生成。 串行通信 (UART) 模塊： 發送器： 實現串行數據的發送緩衝和移位邏輯。 接收器： 實現串行數據的接收緩衝和移位邏輯。 波特率發生器： 實現通過定時器或專用波特率發生器生成正確的通信波特率。 狀態與控製寄存器： 實現SBUF, SCON等控製寄存器的功能。 整體係統集成與總綫設計： 內部總綫架構： 設計CPU核、存儲器接口、I/O接口之間的內部總綫連接，包括地址總綫、數據總綫和控製總綫。 時序約束與時鍾域： 討論係統時鍾的選擇，以及如何進行時序約束以滿足FPGA/ASIC的時序要求。 復位邏輯： 設計係統復位邏輯，確保處理器能夠從一個已知的穩定狀態開始工作。 第四部分：軟核處理器驗證與係統應用 設計齣軟核處理器並非終點，如何驗證其正確性並將其集成到實際係統中是關鍵。 仿真驗證策略： 測試平颱 (Testbench) 設計： 學習如何使用Verilog編寫功能強大的測試平颱，包括激勵生成、仿真波形分析、以及設計正確性的自動檢查。 指令集仿真： 編寫測試嚮量，驗證軟核處理器是否能夠正確執行8051的全部指令，包括各種尋址模式和復雜指令。 中斷與定時器/計數器功能驗證： 設計特定場景的測試用例，驗證中斷響應的準確性和定時器/計數器的定時精度。 串行通信功能驗證： 模擬發送和接收數據，驗證UART模塊的通信可靠性。 聯閤仿真： 將軟核處理器與外圍IP核（如UART、SPI、I2C等）一起仿真，驗證整個嵌入式係統的協同工作能力。 FPGA/ASIC 實現與部署： 綜閤 (Synthesis)： 介紹使用EDA工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）將HDL代碼綜閤成門級網錶的流程。 布局布綫 (Place & Route)： 講解在目標FPGA/ASIC器件上進行布局布綫，將門級網錶映射到實際的邏輯資源。 時序分析與優化： 學習如何進行靜態時序分析（STA），識彆並解決時序違規問題，以確保設計在目標時鍾頻率下穩定運行。 下載與硬件調試： 介紹如何將配置比特流下載到FPGA開發闆，並使用邏輯分析儀等工具進行硬件調試。 實際係統應用案例： 一個簡單的基於8051軟核的嵌入式係統： LED 控製係統： 設計一個簡單的LED閃爍程序，通過軟核處理器控製GPIO輸齣。 按鍵輸入采集： 設計一個讀取按鍵狀態並進行響應的程序，使用軟核處理器控製GPIO輸入。 定時器驅動的事件： 利用定時器模塊實現周期性任務，例如定時更新顯示屏或控製電機。 串口通信實驗： 使用UART模塊實現與PC或其他設備的串行數據交換，例如發送傳感器數據或接收控製命令。 更復雜的應用場景（選講）： 簡單的ADC/DAC 接口： 介紹如何將軟核處理器與ADC/DAC芯片連接，實現數據采集和輸齣。 SPI/I2C 通信接口： 簡要說明如何為軟核處理器添加SPI或I2C通信接口，以連接更多的傳感器和外設。 在SoC（System on Chip）中的應用： 討論如何將8051軟核處理器集成到更大的SoC設計中，與其他IP核協同工作。 第五部分：進階主題與未來展望 指令集擴展與定製： 討論如何根據特定應用需求，在8051指令集的基礎上進行擴展，例如添加DSP指令或自定義指令。 流水綫設計 (Pipelining)： 介紹簡單的流水綫技術，如兩級或三級流水綫，如何提高處理器的吞吐量。 低功耗設計技術： 簡要介紹在軟核設計中考慮功耗的策略，例如時鍾門控。 處理器性能評估： 講解如何使用DMIPS/MHz等指標來評估軟核處理器的性能。 現代嵌入式處理器的趨勢： 簡要提及RISC-V等新興處理器架構，並分析其與8051等經典架構的異同。 本書旨在為讀者提供一條從理論到實踐的完整路徑，幫助您掌握8051軟核處理器設計的核心技能。通過大量的實例和詳細的設計步驟，您將能夠獨立完成自己的嵌入式係統設計，並對微控製器的工作原理有更深刻的理解。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計，雖然不算特彆華麗，但透著一股紮實的專業感。封麵的配色，深邃的藍和穩重的灰，搭配上簡潔的字體，一下子就把我的思緒拉到瞭那些充滿挑戰但又充滿樂趣的電子設計時光。我一直對微處理器特彆是8051這類經典架構的底層設計非常感興趣，總覺得深入理解它們，纔能真正掌握嵌入式係統的核心。當我看到這本書的副標題“8051軟核處理器設計實戰”時，我的心就立刻被提瞭起來。軟核處理器，這四個字本身就充滿瞭無限可能，它意味著更高的靈活性，更低的功耗，以及在特定應用中無與倫比的定製化能力。這本書的齣現，無疑為我打開瞭一扇新的大門，讓我有機會去探索如何從零開始構建一個屬於自己的8051軟核，這其中的挑戰和收獲，想想都令人興奮。我期待著書中能夠詳細介紹軟核的架構設計、HDL語言的運用、以及如何將其集成到FPGA平颱上的具體流程。如果書中還能涉及一些實際的案例分析，比如如何針對某個特定應用場景去優化軟核的設計，那就更加完美瞭。

評分☆☆☆☆☆

我是一名有多年嵌入式開發經驗的工程師，在工作中接觸過各種各樣的微處理器和微控製器，但總覺得對底層硬件的理解還不夠深入。8051作為一個經典的8位微控製器，雖然現在可能不是性能最強勁的，但其簡潔的架構和豐富的指令集，仍然是學習和理解微處理器工作原理的絕佳範例。這本書的“軟核處理器設計實戰”這個主題，一下子就抓住瞭我的興趣點。軟核設計，意味著你可以擺脫現有芯片的束縛，根據實際需求去構建一個最適閤的處理器。我非常期待書中能夠詳細講解8051軟核的設計思路，包括如何將一個復雜的處理器分解成可管理的邏輯模塊，如何使用硬件描述語言進行建模，以及如何在FPGA平颱上實現和驗證。如果書中還能提供一些關於如何對軟核進行性能優化和功耗分析的技巧，那就更好瞭。我相信，通過這本書的學習，我能夠更深入地理解微處理器的內部工作原理，提升我在硬件設計和優化的能力。

評分☆☆☆☆☆

一直以來，我對那些“看得見摸得著”的電子硬件都情有獨鍾，特彆是當你可以親手去設計和實現一個核心部件的時候，那種成就感是無與倫比的。8051作為微控製器界的“常青樹”，它的指令集和架構深入人心，但將它以軟核的形式進行設計，這對我來說是一個全新的概念，也是我一直想要嘗試的方嚮。我曾經在一些項目中遇到過對處理器性能和功耗有極緻要求的場景，當時就萌生瞭自定義處理器的想法，但苦於沒有閤適的切入點。這本書的齣現，正好填補瞭這個空白。我非常期待書中能夠詳細講解如何使用Verilog或VHDL這樣的硬件描述語言來描述8051的各個功能模塊，如何進行仿真驗證，以及最終如何將其部署到FPGA開發闆上。如果書中能提供一些可供參考的IP核或者代碼示例，那將大大加速我的學習進程。

評分☆☆☆☆☆

最近在研究數字信號處理，尤其是涉及到實時性要求非常高的應用場景，對處理器的性能和功耗權衡越來越看重。這本書的齣現，簡直就像及時雨。8051雖然是一個經典的架構，但如果能夠通過軟核的形式進行設計和優化，那在某些領域，比如物聯網終端、低功耗傳感器節點等方麵，依然有巨大的潛力。我一直對FPGA平颱上的設計流程充滿好奇，而軟核處理器恰恰是將軟件的思想和硬件的實現完美結閤的典範。我希望書中能詳細闡述如何從邏輯門級彆開始，一步步構建齣完整的8051軟核。這不僅僅是關於代碼的編寫，更是關於對計算機體係結構、時序邏輯、狀態機等核心概念的深刻理解。我相信，通過這本書的學習，我不僅能夠掌握8051軟核的設計方法，更能提升自己在嵌入式係統硬件層麵的設計能力，為我後續的研究和項目開發打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

我是一名在校的電子工程專業的學生，最近在準備畢業設計。畢業設計的方嚮是關於低功耗物聯網設備的開發，其中涉及到大量的傳感器數據采集和預處理。在查閱瞭大量資料後，我發現8051微控製器非常適閤作為這類設備的控製核心，因為它功耗低，外圍接口豐富，而且生態成熟。但是，標準的8051芯片在一些特殊需求上可能存在局限性，比如需要更高的處理速度或者更精細的功耗管理。這時，“軟核處理器”這個概念就引起瞭我的注意。我瞭解到，通過軟核設計，可以根據具體應用的需求來定製處理器的架構和指令集，從而達到最優的性能和功耗比。這本書的標題，特彆是“設計實戰”幾個字，讓我覺得它很有可能提供瞭具體的指導和方法，幫助我完成我的畢業設計。我希望書中能夠包含從需求分析到最終實現的完整流程，並且提供一些實際的例程，讓我能夠快速上手。