前言

虽然目前FPGA设计的发展如火如荼，但仍被嵌入式设计压过一头。具体原因有很多，究其主要原因，在于MCU的价格低廉、容易普及，而设计者又不用担心设计的某些程序bug，反正MCU可以反复擦写、存储空间又充足，即使有了bug也决不会成为毁灭性的。实际上，FPGA也有这种反复擦写的优势，但它的单品价格不菲，因此，与MCU主打的嵌入式设计比起来，实在缺乏竞争力。

价格影响产品的普及。细察嵌入式开发者和FPGA开发者，就会发现嵌入式开发者胆气冲天，一个人就能拿捏住整个系统，什么音乐、网络，搞得风生水起，有声有色。但此种现象在FPGA开发者身上极其罕见。大多数FPGA开发者都只是“方面大员”，在各自的领域内固然是见微知著，但一旦超出他的领域，那就四顾茫然了。

作者一直存在一个想法，那就是引嵌入式开发的“灵气”入FPGA设计的“一团死水”中，激活FPGA开发者的豪气，也让FPGA设计能够变得与嵌入式设计一样有声有色。存在这种想法的不仅是作者，而且还包括FPGA领域的“大鳄”——Xilinx。Xilinx公司联合ARM公司推出带有Cortex-A9硬核的FPGA，也就是想让嵌入式设计与FPGA设计做到融合，互帮互助，从而实现设计的一体化。于是这种特殊类型的FPGA——ZYNQ系列成了Xilinx公司的主打宣传产品。在相关技术论坛上，由于Xilinx不遗余力地大推特推，ZYNQ已经变得耳熟能详了。但是，对于设计者而言，ZYNQ只是“看起来很美”。

至少对于个人开发者来说，能真正玩转ZYNQ不仅需要开发者有高超的FPGA设计经验，而且还要有能让Cortex-A9正常运转的嵌入式开发经验。这对于普通开发者来说是一个了不起的挑战。如果是一个团队，甲负责FPGA设计，乙负责Cortex-A9开发，两人通过沟通、合作、同心协力，或许能够让嵌入式和FPGA两者互相补充，并发挥最大效能。但对于普通开发者来说，则绝无这种左、右手同时担当两方面工作的能力。因此，对于普通开发人员来说，在CPU方面，没有必要采用那么高端的配置。

采用最普通的Verilog语言写一个CPU软核是不错的主意。在这本书之前，作者曾编写了《兼容ARM9的软核处理器设计：基于FPGA》，让众位FPGA开发者能够用到与ARM9功能相当的32位CPU处理器。但通过和几位读者沟通了解到：从FPGA设计上来理解软核处理器的运作没有问题，但32位处理器的嵌入式设计、使用开发工具生成程序并让软核处理器充分运作起来，这对于他们而言则太难了，因为这是个跨领域的课题。为了解决这个问题，作者产生了编写本书的想法。

8051架构流传久远，对于嵌入式开发者来说，他们非常熟悉相关的工具和流程，但由于它的指令众多、实现复杂，对于FPGA设计者来说，这是一个很好的挑战课题。作者继ARM9软核处理器设计之后又推出8051架构的软核处理器设计，这套系统相对于ARM9来说更加简单，可以吸引更多FPGA的入门开发者，并使其通过学习软核处理器设计（不仅学习设计技巧，而且最终能将所学知识用在今后的开发上）打通嵌入式开发和FPGA设计上的“任督二脉”。

本书首先对8051架构做了详细介绍，并对它的各种器件做了取舍。8051毕竟是一种独立运行的单片机，因此它包含了必要的定时器、串口等。但作为一个可以在不同环境下调用的8051软核处理器，可让使用者根据自己的需要对它添加元件。因此，简单的定时器和串口并不需要包括在软核处理器之中，使用者完全可以根据自己的需要来添加它们。

对于8051的111条指令，单个看起来每一条都很简单，然而数目众多，作者分类介绍它们用了不少篇幅，但运用Verilog设计技巧却能在700行左右的代码文件中详尽表达它们。采用精简的Verilog描述来描述复杂的系统是作者带给读者的设计艺术。通过了解这种设计艺术，读者能够加深对Verilog设计的领悟。因此，在讲述完8051的架构后，作者对Verilog的基本知识也做了介绍，让读者在学习设计技巧之前，能够先了解这些基本知识。

重点是如何采用Verilog语言来实现这111条指令，本书也对此做了介绍。软核处理器作为吞吐指令的“装置”，它对源源不断的指令进行精确而迅速的解析。由于指令繁多，这对资源整合提出了挑战，很多同行都在这个问题上束手无策。但其实处理这类问题的策略古人早就教给我们了。最通俗的比喻就是折筷子，若给你111根筷子，让你一把折断，这当然是比较费力的，但如果一根一根地折断，那就容易多了。这个策略很多人都懂，但真要做起来，却会走样变形。问题是首先得把这111条指令变成如同每根筷子一样的不同的“小麻烦”，而不是集合在一起，成为“大麻烦”。因此，在进行Verilog设计前，需奠定好软核处理器主程序架构的基础，如千手观音，首先塑起无手的观音，然后，一只一只地逐步添加上所有的手。本书在奠定基础上有独到之处，值得读者借鉴。

在FPGA设计上有一个好的思维模式并不太难，难在坚持这个思维模式并使之完备成熟。为此，作者准备了与Keil这个流行的8051开发工具适配的测试代码。这些代码会针对每条指令进行测试，并在最后给出测试结果。读者可以在作者的基础上对程序大胆地添加自己的想法，并用这种软件的测试程序进行检验。

目前，FPGA设计远没有达到蓝海的沙滩，它的提升空间巨大，愿与读者共勉，共同提升之。

编者

2014年10月