【参考案例】在友晶科技DE10-Standard开发板上实现8051单片机

Doreen

DE10-Standard工程下载地址：http://mail.terasic.com.cn/~dongliu/8051_on_FPGA/8051_de10_standard.zip

DE1-SOC 程下载地址：http://mail.terasic.com.cn/~dongliu/8051_on_FPGA/8051_De1_SoC.zip

如果论坛图片加载不畅，可以直接跳转到友晶知乎网页阅读完整步骤： https://zhuanlan.zhihu.com/p/557378175。

       链接https://www.sohu.com/a/252890756_796852 是基于北邮学生自主设计的FPGA开发板实现8051单片机的设计，下面将演示如何参考该链接将8051的设计移植到DE10-Standard开发板。

      首先是在FPGA内配置51软核。就是利用FPGA片内资源直接构建成51系统。链接中提供的Quartus工程 FPGA8051.zip 使用的是https://www.oreganosystems.at/ 网站提供的开源8051内核。将该工程移植到DE10-Standard以后 8051内核源码全部在src文件夹下：
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      然后是添加其他必要组件。有了这个核还不是完整的8051核，还需要给它添加 rom、ram和扩展ramx。rom 用来存放51单片机的程序，也就是存放单片机C程序编译后的 .hex文件。ram 用来运行51单片机的程序。

       以下是8051微控制器IP完整框图，更多8051 IP核的说明请前往https://www.oreganosystems.at网站下载其说明手册。
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       当然还要添加PLL IP等（这个在后面会讲到）。

       最后是引脚分配和编译成FPGA配置文件.sof文件（这个在后面会讲到）。

       因为参考工程 FPGA8051.zip 里面已经完成了这些工作，现在我们只需将这个工程移植到友晶DE10-Standard开发板上即可，所以只会涉及到一些细小的改动，下面我们将整个移植过程呈现如下：

       整个移植过程：

(1)FPGA8051.zip 工程里面的器件是Cyclone IV，先将FPGA 器件改为DE10-Standard 的 FPGA 器件 5CSXFC6DEF31C6。

(2)依次打开 rom、ram 和ramx IP，把device从Cyclone IV 改为 Cyclone V，然后点击Finish：
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点击Finish的时候会提示你先指定hex文件，你可以点击Browse直接指定到8051_de10_standard\Example\main.hex文件（当然这个hex文件 后面是可以改的，我们后面会讲到），然后再点击Finish。

ram IP 的器件选择修改如下：

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ramx IP 的器件选择修改如下：

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(3) 重建PLL IP。因为Cyclone V 的 PLL IP和Cyclone IV 的不一样，需要删掉之前的PLL IP然后重建：

在IP Catalog里面找到 PLL Intel FPGA IP:

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然后设置PLL IP的参数如下：

注意因为新的PLL Intel FPGA IP 是有rst信号的，而之前的PLL IP 没有：

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所以在mc8051.v文件里面例化 PLL 时要记得设定rst信号：

（4）DE10-Standard上的数码管硬件是共阳极的，是低电平点亮，而 FPGA8051.zip 里面的代码是高电平点亮：

所以我们在mc8051.v文件里将数码管信号进行取反操作：

（5）8051的rst信号是高电平有效，DE10-Standard的按键则是低电平有效，所以进行移植时需要对DE10-Standard的按键进行取反：

（6）引脚分配。先点击分析综合：

分析综合完成以后就可以按照 DE10-Standard_v.x.x.x_SystemCD\Manual\DE10-Standard_User_manual.pdf手册的第3.6.1章节分配管脚：

注意其中数码管的分配，DE10-Standard手册第24页标注了数码管段顺序是这样：

但是在main.c里面数码管顺序如下所示：

所以我们在数码管引脚分配的时候需要这样调整:

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（7）因为北邮板子和DE10-Standard外设略有不同，工程FPGA8051.zip 的mc8051.v 內能对应到DE10-Standard上主要有开关（switch） 、灯（led）、数码管（digit_seg）以及按钮（buttom）等这些信号，其他不支持的pin可以在.qsf 文件中设置为virtual pin ，否则在编译的时候quartus会随意分配引脚（然后就会看到DE10-Standard其他数码管乱闪）。具体做法是在引脚分配完后打开工程文件夹下的mc8051.qsf文件并添加这些内容：

#de10-standart not support pin
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to digit_cath*
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to digit_seg[0]
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to rgb_led1*
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to rgb_led2*
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to input_pin*
set_instance_assignment -name VIRTUAL_PIN ON -to output_pin*

至此，移植工作就完成了，点击Quartus的编译按钮完成编译，生成sof文件。

下面开始验证这个 在DE10-Standard开发板上实现的 8051单片机。

首先是安装51单片机开源编译器SDCC，进入ToolChain文件夹双击sdcc-3.6.0-x64-setup.exe，然后一路按Next直至完成安装即可。

2. .将C代码编译成十六进制文件。进入Example文件夹，双击make.bat执行该批处理文件：

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这就把事先写好的main.c程序编译成十六进制文件main.hex：

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3. 进入MC8051-RTL文件夹，双击Quartus工程文件mc8051.qpf打开工程，然后点击Tools——>In-System Memory Content Editor：

(a) 如下图，将 Hardware 设为 连接DE10-Standard 开发板的 USB Blaster 口；

(b) 在Device处选择@2: 5CSEBA6(.|ES)/5CSEMA6/..(0X02D020DD)的设备；

(c) 点击 ... 选择前面编译生成的8051_de10_standard\MC8051-RTL\output_files\mc8051.sof文件，然后点击蓝色的下载按钮进行FPGA配置;

(d)配置完成后点击Import Data from File...，找到8051_de10_standard\Example\main.hex文件，点击Open。

4. 点击instance Manager栏的写入键，如果看到流水灯、数码管0显示数字，则实验成功。

正确的实验现象请参考B站视频：https://www.bilibili.com/video/BV17t4y1E71f?spm_id_from=333.999.0.0