随着集成电路制造技术的快速发展，集成电路的规模不断扩大。这使得将复杂系统集成在单个芯片上成为可能，于是便出现了系统芯片SOC(System on a Chip)。传统芯片设计方法" title="设计方法">设计方法关注的是如何创建一个全新的设计并进行有效的验证；如今在SOC设计中，基于IP模块的功能组装正在逐渐替代传统的功能设计而成为主流设计方法。基于IP模块的SOC设计方法的基本思路是通过系统设计的应用层次，利用现有的IP资源，根据系统需求选用适当的IP模块，进行系统集成设计；基于IP模块的SOC设计方法是采用IP模块而不是采用基本逻辑或电路单元作为基础单元，即以功能组装代替功能设计。这就提高了设计者的设计能力，能够较快地完成设计，保证设计成功，以极低的价格满足市场需求。
　　M8051 IP软核是高性能的8位微控制器(MCU)，它的每个机器周期只需要两个时钟周期而不是标准8051^[1] 软核的十二个周期，但是它的功能却与标准的8051软核兼容。这就使得M8051 IP软核在同样功耗的情况下运行速度比标准的8051软核提高六倍，也就是说，若在同样的运行速度下，M8051 IP软核的功耗仅仅是标准8051软核的六分之一。这对于现在的便携式数字产品或低功耗产品来说是相当有竞争力的。
　　视频字符叠加器是一种在视频信号中叠加入字符或简单的图文信息，从而在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示的设备^[2]。视频字符叠加器VAD_SOC的结构如图1所示，具体包括以下几个IP模块： M8051 IP软核、I²C主控制器模块、 存储器核和全彩色字符叠加处理器(FCA IP)等。其实现的功能是将片外或内置的叠加字符ROM(如E/E²PROM、双口RAM或Flash)中储存的字符信息转变为可叠加在视频信号上的信息，同时通过内部时序控制功能单元，调节叠加字符在监视器上的叠加位置、大小及其背景色和前景色等。

　　本文主要介绍M8051 IP软核的改进设计，对其进行有效的仿真和验证；并对M8051 IP软核在视频字符叠加器VAD_SOC中的重应用进行深入的研究。
1 M8051 IP软核结构及其改进性设计
1.1 M8051 IP软核的结构
　　M8051 IP软核的功能结构框图如图2所示，主要由五部分组成。

　　(1)算术逻辑单元" title="算术逻辑单元">算术逻辑单元(ALU)部分：位算术逻辑单元、带进位的算术逻辑单元、8位的算术逻辑单元，操作数的选择、乘法/除法单元。
　　(2)数据存储与交换部分：内部数据存储器、内部专用寄存器及其复用、专用功能寄存器的复用、核级专用功能寄存器。
　　(3)状态机与程序存储部分：主状态机、程序计数器、程序计数器的运算单元。
　　(4)指令译码部分：取指令、指令译码。
　　(5)外围设备部分：(I/O)端口寄存器、中断、定时器、计数器、通用串行口。
　　从图2可以看出，M8051 IP软核与传统8051单片机在组成部分及指令系统部分是兼容的，但功能上有些不同，详见表1。所以，若要将M8051 IP软核集成到视频字符叠加器VAD_SOC中，则需要进行一些简单的功能扩展和可复用设计。

1.2 I²C主控制器的RTL级实现
　　I²C总线是Philips公司提出的一种串行数据传输技术，通过数据线(SDA)和时钟线(SCL)两个总线即可完成全双工同步数据的发送和接收，在需要与外围器件进行低速通信时，I²C总线是个不错的选择。目前8051 IP软核是片上系统中用得比较多的微控制器核之一，但是其没有集成I²C总线，应用起来很不灵活。所以在设计片上系统时常常需要将I²C系统集成到8051 IP核中，以方便其与MCU的外围接口连接，扩展8051 IP核的功能。由于篇幅的限制，本文只对I²C主控制器模块进行简单研究。I²C主控制器模块是根据Philips公司的8xc552的I²C接口原理设计的。由于通常情况下单片机系统都作为主系统使用，一些功能是不需要的，所以图3只是本设计用到的I²C原始的功能结构简化框图。

1.2.1 I²C主控制器的端口源代码格式^[3]
　　I²C主控制器端口源代码格式如下：
　　module i2c_top (s1sfrdi,si,sda,scl,regresult,source_addr,
　　destine_addr, sfr_write, rmw, internal_reset, pclk_en, pclk);
　　output [7:0] s1sfrdi;
　　output scl ,si;
　　inout sda;
　　input [7:0] regresult;
　　input [7:0] source_addr;
　　input [7:0] destine_addr;
　　input sfrwe, rmw, internal_reset;
　　input pclk, pclk_en;
　　……
　　endmodule
1.2.2 I²C主控制器与M8051 IP软核的接口
　　I²C主控制器的数据端口(SDA)是双向端口，利用串行数据线SDA传输数据，所以不使用总线时必须关闭三态门的输出控制端，即sda_oen为“0”；另一方面，数据可以通过引脚直接进入模块内部，但必须设置输出控制端为“1”，即sda_oen为“1”。I²C主控制器与M8051 IP软核的接口如图4所示。

1.2.3 I²C主控制器的软件仿真与结果
　　在I²C主控制器设计过程中，主要用Modelsim SE PLUS5.6、QUARTUS2.0等软件作为前端的仿真工具并 针对I²C主控制器的主接收和主发送两个状态机的不同激励条件，编写测试代码进行测试。电路仿真时序波形图如图5和图6所示。

2 M8051 IP软核在视频字符叠加器VAD_SOC中的重应用
　　M8051 IP软核在视频字符叠加器VAD_SOC中的重应用的结构如图1所示。它的主要任务是从程序存储器中读出指令代码，经编译执行后，向周围的相应模块提供操作命令和地址、数据总线值，完成一个复杂的状态机及对其它模块的部分控制功能，协同其它模块共同工作，实现将字库中的字符取出放到全彩色字符叠加处理器上进行显示。工作流程如下：
　　(1) 将要显示的字符从PC机的键盘输入，经串行口RS-232的接口写入到字库中。
　　(2) 从程序存储器中读出指令代码，经编译执行后，向周围的相应模块提供操作命令和地址、数据总线值。
　　(3) 继续执行代码，从字库中读入要显示的字节数据，并将它存放在SFR(专用寄存器)中。
　　(4) 继续执行代码，将专用寄存器中的数据传送到双口RAM中进行缓存。
　　(5) 通过对控制模块的控制，实现数据读取、地址生成，并按时空拓扑划分的形式进行行、列地址及数据信号的选择。
　　(6) 最后，将选择出的信号通过三通接口加到视频信号中进行显示。
　　基于以上考虑，本系统中M8051 IP核具有一定的专用性，是针对具体的VAD_SOC系统而设计的，因此不需完全拘泥于标准的MCU的所有特点，只需设计出满足VAD_SOC系统要求的嵌入式M8051 IP核即可。
2.1 视频字符叠加器VAD_SOC的设计及功能仿真
2.1.1设计流程
　　第一步：生成VAD_SOC顶层初始网表。在四个模块开发之后，只需开发用于集成的网表，即可用于模块之间的连接。
　　第二步：处理VAD_SOC顶层中四个模块的时序预算，此时每个模块建立一个“黑盒”时序模型。
　　第三步：改进VAD_SOC顶层布线，在模块实现的同时解决顶层的信号完整性问题。此外，还要考虑前两步中不需涉及的电源问题，其中包括模拟模块和I/O模块问题。同时模块层的实现也在此步进行，通过采用物理综合方法来确保模块层的时序收敛。VAD_SOC顶层设计和四个模块实现之间是同步进行的。
　　第四步：用模块的实际尺寸修改VAD_SOC顶层描述，这一步需用Aristo 的IC Wizard处理，大约需要2～3小时。
2.1.2 视频字符叠加器VAD_SOC的仿真波形
　　视频字符叠加器VAD_SOC的功能仿真是在NC_Verilog下进行的，图7显示了两个场同步周期的字符叠加信号的仿真波形图。