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本文利用自顶向下的正向设计方法,研究使用Verilog HDL语言设计兼容Intel MCS-51系列单片机的外围设备模块。整个设计流程中,设计软件选用Mentor公司的Modelsim编译仿真软件、Synplicity公司的Synplify PRO综合软件及Altera公司的Quartus FPGA开发平台,在软件开发环境中完成单片微型计算机外设模块的前端代码设计、功能仿真验证、最终综合于Altera公司Cyclone系列FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片上,实现与Intel MCS-51完全兼容的HP-51型单片微型计算机外围设备模块。本文首先介绍了单片微型计算机的发展历史、应用方向、发展趋势以及大规模数字集成电路一般的设计流程;接着详细说明了本项目设计的HP-51型单片微型计算机的特点、架构及其指令、时序和中断系统,并重点分析说明了该型单片微型计算机的外设模块的功能、结构及工作方式;然后详细说明了串行通信接口、定时/计数器两个外设模块的设计过程,并给出了外设模块各子功能模块的输入输出端口、部分HDL源代码、详细的模块功能仿真波形图和RTL级电路图。本文对传统的串行通信接口进行了两点的改进:首先在串行接口接收数据前,先对串行数据进行过滤噪声干扰处理;接着通过一个自适应波特率发生器自动侦测出串行数据波特率,直接可以将波特率除数输入给串行通信接口控制寄存器。同时将除去噪声干扰的纯净串行数据输入给串行通信接口,这样大大增强了串行口的抗噪声性能。这也是本文的创新点所在。利用Verilog HDL硬件描述语言编写设计源代码,并且在设计过程中进行充分的仿真和验证,本文所采用的设计思想、设计方法都是围绕着功能正确性、可重用性及可移植性等几个原则展开的。采用硬件描述语言设计电子系统是近年来十分流行的方法,非常适合于描述大规模数字集成电路系统,特别是在SoC(System on Chip)设计中。本文设计的外设模块具有较好的可复用性,完全可以应用于与8051工业标准相兼容的其他单片机设计中。