芯片设计行业现在面临着功能要求越来越复杂、设计周期越来越短、成本高等前所未有的巨大挑战,基于IP复用的数字IC设计技术能够有效应对这一系列挑战。尽管嵌入式系统开发技术飞速发展,但低端应用市场还是非常需要8位微控制器。Intel公司的MCS-51系列单片机虽是我国应用最广的8位微控制器,但因其资源有限、速度稍慢、功耗较大等因素,已难以满足一些场合的需要。可编程的、可复用的增强型8051单片机IP核随之成为设计主流。本文首先分析了经典8051单片机的功能、结构和指令系统,确定了8051单片机IP核的总体功能需求,给出了8051单片机指令系统的优化设计方案,规划了8051单片机IP核的总体结构,明确了8051单片机IP核自上而下的总体设计方法与流程。所设计的8051单片机IP核由算术逻辑运算单元模块、控制模块、片内数据存储器模块、定时器/计数器模块、串行端口模块、中断处理模块等组成。然后使用VHDL语言对8051单片机IP核进行了分模块和总体的设计描述。接着,借助ModelSim测试平台对8051单片机IP核进行了各层次的软件仿真,基于Quartus Ⅱ和FPGA对所设计的8051单片机IP核进行了硬件测试。最后,使用Synopsys软件的Design Compiler工具对8051单片机IP核进行了综合优化,直至满足设定的时序和面积约束。经过软件仿真与硬件测试可知,所设计的8051单片机IP核的指令系统与标准MCS-51系列单片机兼容,功能上与标准MCS-51系列单片机无异,存储空间大于标准MCS-51系列单片机,性能优于标准MCS-51系列单片机,尤其是最高时钟频率和指令执行效率上有了很大改进。因此,本设计具有一定的实际应用价值。