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随着集成电路制造工艺的发展,芯片设计已进入SoC阶段,即可以把一个完整的应用系统集成到单个芯片中,使得设计复杂性大为提高,由此也产生了新的设计方法学。SoC设计涉及多方面的学科领域,如计算机体系结构、嵌入式软件、IP设计复用等。由于SoC设计是基于IP复用的设计,IP核的设计和使用方法显得尤为重要,设计时要着重考虑IP的可复用性和设计标准化。8位单片机具有简单、高效、可靠等特点,因此自诞生以来,就一直在工控、通信等领域被广泛使用。单片机的结构、速度、功耗等在20多年间也有了较大的改进,指令集也有了很大的发展,出现了基于RISC指令集的单片机,简化了内部硬件指令译码的过程。以8位单片机为原型的8位CPU IP核也在SoC中有着广泛的应用前景,对于简单或不需进行复杂运算的SoC,8位CPU的IP核可以作为主运算和控制单元,完成数据的传输和运算;而对于复杂的SoC,8位CPU的IP核可作为数据传输、模块通信控制等应用。本文选择以8位CPU软核的设计和应用为对象,研究了IP核设计以及SoC设计的基本理论与方法。论文的研究是基于项目80C51软核的设计与应用研究,该软核与MCS-51指令集兼容。项目进程中对该软核进行了改进和完善的验证。类似于单片机最小系统,作为软核的应用建立了片上心率系统,系统的开发涉及软件、硬件和验证等多个方面,具备了SoC开发的基本特点。该片上系统已经过FPGA平台验证并采用IBM 0.18um工艺流片。本文首先介绍了SoC中的架构设计,概述了SoC中的软硬件结构,包括处理器、片上总线等等。然后结合ASIC设计方法对RTL设计、逻辑综合方法进行了较为深入的研究,同时对CPU的设计方法进行了一定的研究。最后通过研究生阶段的项目80C51软核的设计及应用说明了IC设计的流程及8位CPU软核的设计与应用。本论文的主要研究结果为:1、深入研究了当前IC前端设计的方法,包括RTL设计、逻辑综合和验证等。2、研究了8位CPU软核的设计方法。3、详细研究了80C51软核设计改进方法和验证方法4、详细研究了片上心率系统的设计和验证方法。