基于FPGA的MCU系统设计稿本科毕业设计稿.docxVIP

基于FPGA的MCU系统设计 1 引言 1．1 MCU的发展及应用 MCU（Micro Controller Unit）中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，顾名思义就是把全部的计算机系统集成到一块芯片中。微处理器MPU（Micro Processing Unit）就是微型计算机的中央处理器CPU（Central Processing Unit），MCU一般以某一种MPU内核为核心芯片，它采用了超大规模机场电路技术，将中央处理器中的各功能部件集成在同一块芯片上，这也是它和其他计算机的主要区别。它的微处理器包含计算机体系结构中的运算器和控制器，是构成微型计算机的核心部件。随着超大规模集成电路技术的发展和应用，微处理器中所集成的部件越来越多，除运算器、控制器外，还有协处理器、高速缓冲储存器、接口和控制部件等。 微处理器自1970年问世以来，在短短几十年的时间里，以极快的速度发展，初期每隔二到三年就要更新一代，现在则不到一年更新一次。1976年9月INTEL公司推出了8084MCU，属于8位MCU，不带串行I/O口，片内RAM、ROM容量也不大，只适用于简单的工业控制和比较简单的数字化仪表。1980年INTEL公司推出了比8084系列功能更为优秀的8位MCU，即8051。1982年MOSTEK公司首先发布了第一个16位MCU68200。1989年MOTOROLA公司推出了准32位MCU 68300。1991年MOTOROLA公司推出了32位MCU MC6833IFC。同年，INTEL公司推出了采用RISC技术设计的16位MCU A80960KA和32位MCU 809600。1992年之后，世界上许多公司都陆续推出了采用RISC技术设计的32位MCU、64位MCU。RISC技术在MCU的设计中发展迅速并且日趋成熟。在国内，4位和8位MCU的设计技术已经成熟，16位和32位MCU也在逐步发展。 目前，MCU的发展有两种趋势：一种趋势是向高性能处理器和多位数MCU发展，另一种方向是发展性价比高的快速高效低位数MCU。能代表多位数MCU的是32位MCU，而快速高性能低位数MCU中，应用面最广、发展最快的就是8位MCU。 按照MCU的特点及性能，MCU的应用范围包括了，工业测控系统，例如构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。智能仪表的开发，促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。机电一体化技术，使传统机械产品结构简化, 控制智能化。智能接口方面，在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中。一般情况下，设计者为了提高系统的运行速度，常常应用MCU控制和管理各种智能化接口。在民用智能化产品中，如在家用电器、智能手机、PDA终端、影音设备、ATM机、医疗设备、物联网应用设备等许多产品中, 使用了MCU控制设备, 不仅使产品的价格成本大幅度降低，使用性能相比以前也有了较大改善， 并且获得了良好的使用效果。MCU在现代流行的视频会议中也起到核心领导的作用，通过MCU设备给下面终端设备设置好权限属性就可以组建一个完整的视频会议网络。 目前，中国的单片机应用经历了二十余年的发展历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机的发展和应用也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，可是8位和16位机依然难以淘汰。 现今市场上流行的典型的8位微处理器，与传统的8位MCU相比，是由VHDL实现的软处理器IP Core，可以在各种FPGA上实现，设计灵活方便。因此，这些MCU将在基于可编程逻辑的应用领域中发挥积极的作用。由于其具有较高的处理性能和较少的资源占用，故具有更加广泛的应用前景。 1．2 MCU的特点 MCU相对于其他设备有很多优点。在系统集成度方面，相比早期的微型计算机，MCU设备的集成度高，由于电子技术，特别是大规模集成电路技术的发展，系统所需的基本模块已经可以集成在一个芯片上，并且功能大为增强。现在的MCU器件一般采用把处理器、存储器以及I/O接口等部件集成在一个芯片上。因为MCU器件的内部已经集成了上述的进行控制所需的基本功能模块，所以只要连接少数的外部模块，甚至不需要任何外部模块，MCU就可以独立完成控制工作。 在抗干扰性方面，MCU的系统运行可靠，抗干扰能力也相当优秀，因为采用了先进的大规模集成电路的加工工艺，系统的各个部件都集成在一个芯片上，这样由于系统布线都是纳米级的，所以不易受到外部信号的干扰。 现在的MCU设计和生产流程中都相继使用了纳米级的互补金属氧化物半导体（即CMOS）工艺，这种加工工艺制作出的芯片都具有功耗小的特点，应用这种工艺生产出的MCU