随着信息技术的发展,作为嵌入式系统的核心,微处理器以其灵活,功能强大等优势,已广泛应用在信息技术的各个领域。无论是家电产品和数字信号处理领域,还是卫星发射导弹制导都离不开微处理器。嵌入式微控制器的典型代表是8051单片机,这种8位(8根数据线,8位指令)的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。本课题的内容是在研究与理解传统80C51核的基础上,通过引入流水线架构,对程序控制器进行硬布线改造,并扩展外围功能接口,设计实现一款高性能嵌入式MCU HD8051。该MCU芯片内部集成只读存储器(Flash ROM)、随机存储器(RAM)、定时/计数器(Timer/counter)、I/O(input/output)、串行口(UART)、乘累加(MAC)及12C控制器等各种必要功能和外设。本文详细阐述了HD8051单时钟/机器周期的指令流水的实现方式,并对内核中控制单元、算数逻辑运算单元、定时器单元、串口传输单元、端口单元、存储器寄存器控制单元及外围扩展功能接口乘累加器、12C的设计实现均做了详尽的阐述。本文使用verilog语言对各功能单元与外围接口进行RTL描述。在完成设计后,通过modelsim对各功能单元与接口进行仿真验证,仿真结果表明,所设计的MCU的各功能模块的功能时序达到了设计要求,乘累加单元MAC的片内集成使得MCU很好地满足了现今控制领域对高速数字信号的处理的迫切需求,同时12C控制器的引入丰富了MCU的应用领域,通过扩展此类功能接口也很好地体现出单片机向SOC过渡的发展趋势。通过FPGA验证,与传统12个周期的80C51内核比较,在相同时钟频率下单周期指令运行效率为原来的12倍；整个指令集平均运行效率为原来8051的8倍左右,使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。