FPGA设计——SPI Flash启动之MC8051设计

1. 概述
本设计采用FPGA技术，在FPGA中实现8051单片机的软核，将外部SPI Flash中的代码数据加载到FPGA内部ram，然后复位MC8051，实现外部flash启动MC8051。

2. 系统框图
8051采用Oregano Systems公司开源的MC8051软核。SPI Flash采用W25Q16芯片存储8051的代码程序。系统框图如下：




3. MC8051简介
Oregano Systems的8051单片机采用VHDL语言开发，具有如下特点：
采用完全同步设计

指令集和标准 8051 微控制器完全兼容

指令执行时间为 1~4 个时钟周期，执行性能优于标准 8051 微控制器 8 倍左右

用户可选择定时器/计数器、串行接口单元的数量

新增了特殊功能寄存器用于选择不同的定时器/计数器、串行接口单元

可选择是否使用乘法器（乘法指令 MUL）

可选择是否使用除法器（除法指令 DIV）

可选择是否使用十进制调整功能（十进制调整指令 DA）

I/O 口不复用

内部带 256Bytes RAM

最多可扩展至 64Kbytes 的 ROM 和 64Kbytes 的 RAM

最多可扩展至 64Kbytes 的 ROM 和 64Kbytes 的 RAM

MC8051 IP Core的顶层结构如下图所示：




4. MC8051移植
在mc8051_p.vhd中，更改C_IMPL_N_TMR、C_IMPL_N_SIU、C_IMPL_N_EXT的值可以定义定时器和外部中断的数量。

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select how many timer/counter units should be implemented
-- Default: 1
constant C_IMPL_N_TMR : integer := 1;
-----------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select how many serial interface units should be implemented
-- Default: C_IMPL_N_TMR ---(DO NOT CHANGE!)---
constant C_IMPL_N_SIU : integer := C_IMPL_N_TMR;
-----------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select how many external interrupt-inputs should be implemented
-- Default: C_IMPL_N_TMR ---(DO NOT CHANGE!)---
constant C_IMPL_N_EXT : integer := C_IMPL_N_TMR;
-----------------------------------------------------------------------------

在mc8051_p.vhd中，还可以选择需要的指令，可选的指令有MUL/DIV/DA。

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select whether to implement (1) or skip (0) the multiplier
-- Default: 1
constant C_IMPL_MUL : integer := 1;
-----------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select whether to implement (1) or skip (0) the divider
-- Default: 1
constant C_IMPL_DIV : integer := 1;
-----------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------
-- Select whether to implement (1) or skip (0) the decimal adjustment command
-- Default: 1
constant C_IMPL_DA  : integer := 1;
-----------------------------------------------------------------------------

在FPGA中用内部的ram资源构建一个rom和一个ram以供8051使用，其中rom需为双端口，用于spi_flash_controller加载flash中的程序。

5. SPI Flash简介
SPI Flash芯片是由8192个页组成，每页大小为256字节。16页组成一个扇区，128/256页组成一个块，其结构框图如下：



SPI Flash的读写指令如下：







6. SPI Flash控制器设计
SPI Flash的读写时序如下：其他操作的时序可查看spi flash datasheet。






控制器状态机设计如下：




SPI Flash加载控制逻辑代码如下：

//file name:	spi_flash_load.v
//author:		shugen.yin
//date:			2017.1.5
//function:		load code from spi flash to dram
//log:

module spi_flash_load(
//Global signal
input clk,
input rst_n,

//signal from and to SPI reader
output reg rd_start,
output reg [31:0] rd_addr,
output reg [31:0] rd_length,
input      [7:0] rd_data,
input      rd_data_valid,
input      read_busy,

//signal to mc8051
input      [15:0] rdaddress,
output     [7:0]  data_out,
output     reg    reset

);

reg [15:0] wraddress;

always @(posedge clk)
if(rd_data_valid)
wraddress <= wraddress + 1'b1;
else
wraddress <= wraddress;

dpram	dpram_inst (
.clock ( clk ),
.data ( rd_data ),
.rdaddress ( rdaddress ),
.wraddress ( wraddress ),
.wren ( rd_data_valid ),
.q ( data_out )
);

reg [15:0] spi_cnt;

always @(posedge clk)
if(spi_cnt<=16'h0fff)
spi_cnt <= spi_cnt + 1'b1;
else
spi_cnt <= spi_cnt;

always @(posedge clk)
if(spi_cnt==1)
begin
rd_start <= 1'b1;
rd_addr  <= 'h0;
rd_length<= 'h1000;
end
else
begin
rd_start <= 1'b0;
rd_addr  <= rd_addr;
rd_length<= rd_length;
end

always @(posedge clk)
if(spi_cnt==16'h1000)
reset <= 0;
else
reset <= 1'b1;

endmodule

7. MC8051 C语言开发
这里采用Keil uVision4作为开发平台，用到MC8051的I/0和定时器设备，代码设计如下：

#include <reg51.h>

sbit P00=P0^0;

char i=100;

unsigned char led=0;

void Timer0_init(void)
{
TMOD = 0x01;	//set timer0 as mode-1
TH0  = 0xee;
TL0  = 0x00;
P00  = 0;
EA   = 1;		//enable interrupt
ET0  = 1;		//enable timer0 interrupt
TR0  = 1;		//Trigger Timer0
}

void main(void)
{
Timer0_init();

while(1){};
}

void Timer0_int(void) interrupt 1
{
TH0 = 0xee;
TL0 = 0x00;
i--;
if(i<=0)
{
led  = ~led;
i    = 100;
}
P00 = led;
}

编译KEIL工程，得到hex文件：将KEIL生成的hex文件烧写道SPI Flash中。




8. FPGA系统逻辑代码设计
FPGA系统逻辑代码顶层设计如下：

//file name			: top_fpga.v
//data				: 2017.1.9
//author			: shugen.yin
//function			: top of project
//log				:

module top_fpga(
//global signal
input clk,
input rst_n,

//led
output [1:0] led
);

//----------------MC8051------------------
wire int0_i;
wire int1_i;
wire all_t0_i;
wire all_t1_i;
wire [7:0] p0_i;
wire [7:0] p1_i;
wire [7:0] p2_i;
wire [7:0] p3_i;

(* keep *)wire [7:0] p0_o;
(* keep *)wire [7:0] p1_o;
(* keep *)wire [7:0] p2_o;
(* keep *)wire [7:0] p3_o;

mc8051_top mc8051_top_inst
(
.clk(clk) ,	// input  clk_sig
.reset(spi_load_reset) ,	// input  reset_sig
.int0_i(int0_i) ,	// input [0:0] int0_i_sig
.int1_i(int1_i) ,	// input [0:0] int1_i_sig
.all_t0_i(1'b0) ,	// input [0:0] all_t0_i_sig
.all_t1_i(1'b0) ,	// input [0:0] all_t1_i_sig
.p0_i(p0_i) ,	// input [7:0] p0_i_sig
.p1_i(p1_i) ,	// input [7:0] p1_i_sig
.p2_i(p2_i) ,	// input [7:0] p2_i_sig
.p3_i(p3_i) ,	// input [7:0] p3_i_sig
.p0_o(p0_o) ,	// output [7:0] p0_o_sig
.p1_o(p1_o) ,	// output [7:0] p1_o_sig
.p2_o(p2_o) ,	// output [7:0] p2_o_sig
.p3_o(p3_o) , 	// output [7:0] p3_o_sig

.dram_adr_o(spi_load_address) ,	//output address
.dram_data_i(spi_load_data)		//input data
);

assign led = {p0_o[0],~p0_o[0]};

//----------------SPI Flash------------------
wire 			rd_start;
wire [31:0] rd_addr;
wire [31:0] rd_length;
wire [7:0]  rd_data;
wire 		rd_data_valid;
wire		read_busy;

spi_flash_reader spi_flash_reader_inst
(
//global signal
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),

//SPI master port
.spi_dclk(flash_clk),
.spi_cs_n(flash_cs_n),
.spi_so(flash_mosi),
.spi_si(flash_miso),

//export port
.rd_start(rd_start),
.rd_addr(rd_addr),
.rd_length(rd_length),
.rd_data(rd_data),
.rd_data_valid(rd_data_valid),
.read_busy(read_busy)
);

wire [15:0] spi_load_address;
wire [7:0]  spi_load_data;
wire        spi_load_reset;

spi_flash_load spi_flash_load_inst
(
.clk(clk) ,	                    // input  clk_sig
.rst_n(rst_n) ,	                // input  rst_n_sig
.rd_start(rd_start) ,           // output  rd_start_sig
.rd_addr(rd_addr) ,	            // output [31:0] rd_addr_sig
.rd_length(rd_length) ,         // output [31:0] rd_length_sig
.rd_data(rd_data) ,	            // input [7:0] rd_data_sig
.rd_data_valid(rd_data_valid) ,	// input  rd_data_valid_sig
.read_busy(read_busy) ,	        // input  read_busy_sig
.rdaddress(spi_load_address) ,	// output [11:0] rdaddress_sig
.data_out(spi_load_data), 	    // output [7:0] data_out_sig
.reset(spi_load_reset)
);

endmodule

9. 最终结果
在Quartus II 13.1平台下，编译完成后，将sof文件下载到板卡上，LED交替闪烁。