随着电子产品和工业控制的复杂性日益增加，使得基于单片机的软硬件开发难度越来越大，在开发中使用一套完备的实时调试系统则显得非常重要。本课题采用专用数字集成电路的设计流程为工业上广泛应用的8051微控制器设计了一个片上调试系统，将调试功能集成到单片机芯片内部。文章内容包括需求调研，方案设计，设计实现，功能仿真与验证以及后端设计。本文设计的片上调试系统具备提供整个微控制器实时调试的能力，拥有商业仿真的一切功能。它不仅具有控制8051单片机挂起、正常运行、单步运行和指令跳转的能力，而且能够读写片内寄存器、内外部数据，程序存储器、特殊功能寄存器的值。它可以在程序存储器、内外部数据存储器和特殊功能寄存器上设置硬件断点，当微控制器在特定的地址读写特定的数据时，硬件断点即被触发。该调试系统使用比工业上的JTAG标准接口占用空间更少的三线接口作为其和计算机的连接通道。文章运用Verilog HDL硬件描述语言对整个片上调试系统进行了设计，使用Mentor公司的ModelSim仿真工具对每个功能进行了详细的仿真，利用synopsys公司的DesignCompile、Primetime、Astro和SMIC0.18μm工艺库完成了综合，静态时序分析和版图设计并确保时序闭合。系统在Xilinx的Spartan3系列FPGAxc3s400上完成功能验证。结果表明，系统有效解决基于传统软件仿真，仿真器调试和JTAG调试方式的弊端，减少用户调试成本，提高调试效率。调试系统的引入对原8051单片机的性能没有产生影响。本文提出的设计方法同样适用于其他单片机片上调试系统的设计。