一、本课题研究的目的、意义
随着半导体技术和系统设计技术的发展，SoC(System on a cIlip)以其高集成度、低功耗等优点受到越来越多的关注[1]。SoC是面向特定用户的，能最大满足嵌入式系统要求，因而具有很多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，减少板卡上的连线提高可靠性，降低风冷要求，减少系统开发成本，现在已广泛应用于从消费类产品(如数字蜂窝手机和数字电视机顶盒)到高端通信LAN／WAN设备的诸多应用中[2]。基于SoC的嵌入式系统设计是系统未来发展的方向之一。中国的电子信息产业现在增长迅速，主要集中在移动通信设备、数据通信设备、计算机及消费产品领域[3]。考虑到我国电子信息市场的特殊性，即巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖进口的状况。巨大的市场的需求决定了开发SoC的必要性，现在数字家电的片上系统研究已经成为研究的热点之一[4]。
IP(Intellectual Property)是目前电子技术中的一个新技术，其含义是知识产权。它为SoC的设计提供了有效途径，是SoC的技术的支撑。在国家高技术研究发展863计划中，SoC作为微电子重大专项已列入了信息技术领域的重大专项启动项目中，在若干关键IP核的开发、软硬件协同设计、P复用、VDSM设计、新工艺新器件等等方面都布置了预研性课题。其中口核的设计和制造是SoC技术中最为关键的部分[5]。
CPU的口核是构成SoC技术的核心，开发出具有自主知识产权的CPU IP核对我国在电子设计技术方面跟上世界先进的步伐，提高信息产业在世界上的核心竞争力和效益具有重大意义。在国内，基于SoC的CPU设计研究很少有人涉足[6]。虽然市场上应用较为广泛的微控制器、嵌入式处理器、计算机中的CPU等都有了很成熟的产品，但这些产品主要靠从国外引进，技术基础比较薄弱[7捌。前不久，中芯微系统公司生产出我国第一个具有自主知识产权的实用化32位嵌入式CPU芯片“方舟一号”，这表明我国的RISC CPU设计在嵌入式领域达到了先进水平。我国信息产业从此告别了无“芯”的时代。这是我国在CPU设计走出的第一步。虽然取得了很大的成绩，但是也应看到与国际先进水平还有一定差距。在国外，SoC的IP核研究发展速度极陕，技术日趋成熟。对于CPU的研究设计更是领先于国内几十年。而且CPU的处理能力提升很快，由8位、16位升级到32位与64位，掌上电脑、PDA、电脑手机、电脑汽车等新品层出不穷，产业规模日益壮大。而基于FPGA的CPU设计及实现技术更被许多高等学院列为重点研究项目，也取得了很大的研究成果。现在实验室正从事家电产品的研发，把片上系统应用到家电产品中可以降低成本，减小体积和功耗，同时还具有很好的保密性。由于实验室以前都是基于MCS51产品的开发所以开发MCS51的P核具有很好的应用前景。
二、国内外研究现状
微控制器简称MCU，又称单片机，是指将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I／O接口集 成在一块芯片上，形成芯片级的计算机。单片机的出现的初衷是面向工业控制，目前它己经广泛应用于各个领域及各个行业。
1976年Intel公司推出低档8位单片机 (MCS-48系列)。在1980年Intel公司推出了 比MCS-48系列性能更为优越的8位单片机8051(MCS-51系列)。1983年Intel公司又推 出了CMOS型80C51、16位单片机5096(MCS-96系列)。众多公司先后推出了32位单片机、 64位单片机。尽管单片机的设计技术在不断的发展，处理能力越来越强，从4位到8位，再到16位、32位，甚至出现了64位，但有一个现象却十分有趣，8位单片机在经历了 三十多年之后，依然显示出强大而旺盛的生命力，其市场占有率一直高居榜首。与从8位机迅速向16位、32位、64位过渡的通用计算机相比，8位微控制器从20 世纪70年代初期诞生至今，虽历经从单片微型计算机到微控制器、单片机和SoC的变迁， 8位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来相当长的时间里，仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展道路。在8位单片机能基本满足其响应速度要求后，数据宽度不是技术发展的主要矛盾。因此8位微控制器会稳定下来，其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求，嵌入式系统低端应用的巨大市场及8位机具有的速度潜力，可以预计在未来相当长的时间内，8位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。
现今市场上流行的典型的8位微控制器，与传统的8位单片机相比，大多数是由VerilogHDL实现的软处理器IP Core，可以在各种FPGA上实现，设计灵活方便而且易于进行功能扩展。因此，这些单片机将在基于可编程逻辑的应用领域中发挥积极的作用。各大单片机厂家都推出了自己的8位单片机内核，如飞思卡尔的RS08内核、NEC的78K0、Actel的Corc8051、Mkcrochip的PIC内核等。因此研究8位单片机内核具有广泛的现实意义。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。
三、拟采取的研究路线
论文主要对8位CPU核的FPGA设计、实现以及验证的方法展开探索和研究，通过对指令的分析，确定了CPU内部的数据路径，并根据数据路径和各功能模块的时序，设计出了CPU的控制器。从而完成了整个CPU核的设计。在设计上采用优化的结构设计方法，做到时序电路与组合电路相结合，从而使系统的性能大大提高，并保证系统的稳定性。同时对整个系统及其各个子模块都编写了验证块，以验证设计的正确性。
本课题的设计刚示就是，使得系统可以完全兼容MCS51指令集，在一个指令周期内需要的时钟周期数仅仅是MCSSl单片机执行相同指令的1／12，具有良好的可扩展性和可移植性，最终在FPGA上实现。
四、进度安排
参考文献
[1]慈艳柯，陈秀英，吴孙桃，郭东辉．片上系统的设计技术及其研究进展田．半导体技术，
2001，7(26)：12—16
[2]唐颖．EDA技术与单片机系统[J]．现代电子技术，2002，1 l(3)：31—32．
[3]梁合庆．今日的嵌入式系统[J]．电子技术与应用，1997，3(2)：6．
[4]潘松，王国栋．基于EDA技术CPLD／FPGA应用前景田．电子与机自动化，1999，(3)：3．6．
[5]陆重阳，卢东华，文爱军．IP技术在SOC中的地位及应用叨．微电子技术,2002，(8)：20．23．
[6]任晓东，文博．CPLD／FPGA高级应用开发指南口田．电子工业出版社，2003：7，67．
