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作为MCS-51家族的成员之一，8051微控制器最初是在1980年由Intel公司设计完成。自其问世以来得到广泛的应用，在所有嵌入式产品的应用中占有很大的比率。因此对于设计研发具有自主知识产权的微控制器具有重大的现实意义。 本文完成了一款微控制器软核M51R01的设计，该软核M51R01与Intel公司的8051微控制器相兼容，与8051具有相同的指令集，在8051微控制器上能运行的程序可以很容易地移植到M51R01上。在功能的实现上，M51R01采用不同的设计，提高了指令的执行速度，从而使得性能有了较大的提升。与8051相比M51R01具有以下特点：哈佛双总线结构，对数据存储器和程序存储器分别采用不同的总线独立寻址；两级指令流水线结构；机器周期为一个时钟周期；除跳转指令外，绝大多数指令均可以在单个时钟周期内完成。 整个设计采用自顶向下(Top-Down)的设计方法学，用VerilogHDL完成对各层次模块的描述。首先完成了M51R01的系统级设计、子模块的划分与设计，分别采用哈佛总线结构和先行控制、暂停流水线等方法解决了流水线的数据相关和控制相关问题，在此基础上完成了M51R01各模块的功能仿真、逻辑综合及FPGA实现，借助FastPro原型开发系统完成了对M51R01的FPGA原型验证，验证结果表明M51R01很好的兼容了8051微控制器。 M51R01的成功设计，为IP设计以及基于IP的嵌入式系统的设计提供了实践经验，为课题的进一步深入研究奠定了基础。