0 引言

随着社会发展，工业控制及人们日常生活越来越追求精密控制，为满足这种需求，微控制器得到了快速发展。微控制器(Micro Control Unit,MCU)又称单片微型控制计算机或单片机。随着大规模集成电路(LargeScale Integration,LSI)发展，MCU将原本分散的中央处理器(Central Processor Unit,CPU)、随机存储器(Ran-dom Access Memory,RAM)、只读存储器(Read OnlyMemory,ROM)、输入/输出接口(In/Out Ports,I/O)等集中于一块单晶芯片内，形成一种芯片级计算系统。MCU主要用于控制，MCU构成的系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。但是随着对控制的要求增大，传统MCU也越来越显得捉襟见肘。为此使用专用应用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit,ASIC)器件在片内实现与传统MCU相兼容的核心，选用合适的片内总线来连接外设，构成一个兼容传统MCU平台，这种方法必会延续传统MCU的生命力，使其获得更大的发展。

1 Virtual AVR 实现

通过对FPGA和MCU的深入了解，可知使用FPGA的丰富资源来虚拟出MCU是完全可行的。首先，需设计一个总体结构，如图1所示。ROM用于存放被执行程序及二进制代码，RAM 为运行内存，用总线将VirtualMCU Core与各外设相连。使用该结构可简化设计，无需对外设重复设计，只要使Virtual MCU Core满足同一接口即可。

Virtual AVR Core 以ATmega103处理器为参考，核心采用RISC结构，3级流水线结构，因为是哈佛结构，所以分为数据存储器和指令存储器。它的处理器核心如图2所示。同时ATmega103共有130条指令，每条指令都是固定结构，为16 位。在该设计中，移植了Open-Cores开源组织的8位AVR核，它支持3级流水线，兼容标准AVR微处理器。

2 硬件支持与测试

硬件环境主要分为两部分：第一部分为核心板，用以支持Virtex-Ⅱ Pro的运行；第二部分为底板，主要为添加外设环境，丰富系统的功能。选用XC2VP50FFG1152芯片作为核心的FPGA,在外围又添加了DDR和SDRAM，方便自由选择存储器类型。FP-GA掉电后，内容自动消失，每上电需要重新配置，为让FPGA 上电后自动配置，需加一片PROM，使用XCF32P.FPGA采用并行主模式。底板上则是增加大量外设：UART、PS2、VGA、ETHERNET、VIDEO、A/D、D/A、SD、USB等。

Virtual Core执行的程序都是固化在ROM中，为达到测试要求，要多次更新ROM中内容，为此使用嵌入式开发套件(Embedded Development Kit,EDK)来开发一个仿真工具。首先将BRAM配置为双端口RAM，一端口给Virtual Core来进行读取操作，一端口给EDK，来更新程序存储器。同时EDK也可提供简单的控制任务，如重启Virtual Core 等，EDK 使用UART 和计算机进行操作。为方便控制，设计一个较为简单的PC端串口程序，用于将EDK与PC交互，主要是将用户的命令或文件经串口发送至EDK。搭建一个简易测试系统，使用ISE工具，进行综合布局布线。编写一个跑马灯程序，代码如下：

使用WINAVR-GCC 编译工具，编译生成HEX 文件，后再转化为BIN文件，将该BIN文件通过EDK组建更新ROM，观察硬件LED，如图3所示，其正常工作，Vir-tual AVR得到验证。

3 结语

随着MCU 应用范围越来越宽，对MCU 要求也提高，尤其目前MCU逐渐进入SoC时代，IP核复用将成为主流设计方法。为使老一代MCU延续生命力，开发其兼容IP核，不仅能将以往代码迅速移植到新系统，且可加快新系统开发，将以往很多分立器件用逻辑功能实现，集成于ASIC中，降低外围硬件电路的设计。文中从模拟MCU核开始，阐述了用FPGA来虚拟出传统MCU的设计原理和方法，适度改变内部结构，添加Wishbone总线，替代传统MCU片内总线，来完成MCU核与外设的连接，使传统MCU变的更灵活。结果表明，实现了既定目标，与标准的微控制器兼容，系统运行稳定。该方法延续了传统微控制器的生命力，能使其得到更大发展。由于Wishbone总线支持多主设备，今后可在一个FPGA 中集成多个MCU核，对于性能的提升将是质的飞跃。