淺析基于51單片機(jī)嵌入式軟件和硬件的同步仿真

本文介紹一種嵌入式系統(tǒng)仿真方法，通過一種特殊設(shè)計(jì)的指令集仿真器ISS將軟件調(diào)試器軟件Keil uVision2和硬件語言仿真器軟件Modelsim連接起來，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件的同步仿真。

縮略詞解釋：

BFM：總線功能模塊。在HDL硬件語言仿真中，BFM完成抽象描述數(shù)據(jù)和具體的時(shí)序信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

PLI：Verilog編程語言接口，是C語言模塊和Verilog語言模塊之間交換數(shù)據(jù)的接口定義。

TCL：字面意思是工具命令語言，是一種解釋執(zhí)行語言，流行EDA軟件一般都集成有TCL。使用TCL用戶可以編寫控制EDA工具的腳本程序，實(shí)現(xiàn)工具操作自動(dòng)化。

ISS：CPU指令集仿真器，可以執(zhí)行CPU的機(jī)器碼。

TFTP：簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議，Windows的tftp.exe既是該協(xié)議的客戶端實(shí)現(xiàn)。

SMART MEDIA：一種存儲(chǔ)卡，常用于數(shù)碼相機(jī)、MP3。

DMA：直接內(nèi)存訪問。用于外部設(shè)備之間高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

MAC：媒體接入控制器。本文中是指網(wǎng)卡芯片。

前言

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)周期、硬件和軟件的開發(fā)是分開進(jìn)行的，并在硬件完成后才將系統(tǒng)集成在一起，很多情況下，硬件完成后才開始進(jìn)行實(shí)時(shí)軟件和整體調(diào)試。軟硬件聯(lián)合仿真是一種在物理原型可用前，能盡早開始調(diào)試程序的技術(shù)。

軟硬件聯(lián)合仿真有可能使軟件設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)早期著手調(diào)試，而采用傳統(tǒng)的方法，設(shè)計(jì)工程師直到硬件設(shè)計(jì)完成才能進(jìn)行除錯(cuò)處理。有些軟件可在沒有硬件支持的情況下完成任務(wù)的編碼，如不涉及到硬件的算法。與硬件相互作用的編碼在獲得硬件之前編寫，但只有在硬件上運(yùn)行后，才能真正對(duì)編碼進(jìn)行調(diào)試。通過采用軟硬件聯(lián)合仿真技術(shù)，可在設(shè)計(jì)早期開始這一設(shè)計(jì)調(diào)試過程。由于軟件的開發(fā)通常在系統(tǒng)開發(fā)的后段完成，在設(shè)計(jì)周期中較早的開始調(diào)試有可能將使這一項(xiàng)目提早完成，該技術(shù)會(huì)降低首次將硬件和軟件連接在一起時(shí)出現(xiàn)意外而致使項(xiàng)目延期完成所造成的風(fēng)險(xiǎn)。

在取得物理原型前，采用軟硬件聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)硬件和軟件之間的接口進(jìn)行驗(yàn)證，將使你不會(huì)花太多的時(shí)間在后期系統(tǒng)調(diào)試上。當(dāng)你確實(shí)拿到物理原型開始在上面跑軟件的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過測(cè)試的軟件部分將會(huì)正常工作，這會(huì)節(jié)省項(xiàng)目后期的大量時(shí)間及努力。

軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)由一個(gè)硬件執(zhí)行環(huán)境和一個(gè)軟件執(zhí)行環(huán)境組成，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯(cuò)和控制界面，軟件通過一系列由處理器啟動(dòng)的總線周期與硬件的交互作用。本文以一個(gè)Mini Web卡的開發(fā)介紹一種軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)。

該方案的核心是采用一個(gè)51單片機(jī)仿真引擎GoldBull ISS51（以下簡(jiǎn)稱ISS51），ISS51是51單片機(jī)開發(fā)環(huán)境Keil uVision2的一個(gè)插件，ISS51具有連接Keil和硬件仿真環(huán)境Modelsim的接口，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件同步仿真。在該系統(tǒng)中，Keil作為軟件調(diào)試界面，Modelsim作為硬件仿真和調(diào)試界面，ISS51負(fù)責(zé)軟件執(zhí)行、監(jiān)控軟件斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、內(nèi)存和寄存器數(shù)據(jù)返回給Keil、CPU總線時(shí)序產(chǎn)生和捕獲、內(nèi)部功能模塊（如定時(shí)器，串口）的運(yùn)行等功能。

Mini Web卡介紹

Mini Web卡是一個(gè)運(yùn)行在單片機(jī)上的Web服務(wù)器，提供網(wǎng)口連接，有大容量文件系統(tǒng)，提供TFTP和HTTP服務(wù)。盡管軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜，但優(yōu)化編譯后，執(zhí)行代碼還不足25K，為后續(xù)升級(jí)留下了足夠空間。

51CPU采用SST89系列，這種CPU具有ISP功能，可以通過RS232串口，直接將目標(biāo)碼下載到CPU。

DMA控制邏輯是一個(gè)可編程邏輯器件，采用的是ALTERA的CPLD EPM240，主要功能是實(shí)現(xiàn)外圍器件之間的DMA傳遞。因?yàn)?1CPU進(jìn)行IO訪問是很低效的，需要24個(gè)時(shí)鐘周期才能進(jìn)行一次IO訪問，在外圍設(shè)備之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)則需要更多的時(shí)鐘周期，使用DMA控制邏輯可以達(dá)到3個(gè)時(shí)鐘周期就能轉(zhuǎn)移一個(gè)字節(jié)。本系統(tǒng)中處理多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要大量報(bào)文收發(fā)和文件系統(tǒng)訪問，采用DMA可以極大地提高51單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度。DMA通道主要有MAC芯片與RAM之間的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)移，SMART MEDIA和RAM之間的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)移。

網(wǎng)卡芯片采用的是AX88796，主要的優(yōu)點(diǎn)是可以和51CPU方便地接口;支持100M以太網(wǎng)，速度高;有較大的接收?qǐng)?bào)文緩存，能夠平滑網(wǎng)絡(luò)流量，減少因51CPU處理速度慢導(dǎo)致的報(bào)文丟棄和重發(fā)。

SMART MEDIA是一個(gè)移動(dòng)存儲(chǔ)卡，主要用于存儲(chǔ)文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡。

文件系統(tǒng)是Mini Web卡的新開發(fā)模塊，文件系統(tǒng)的測(cè)試主要通過TFTP來進(jìn)行，為此Mini Web卡上的TFTP服務(wù)程序進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，支持格式化SMART MEDIA，獲取剩余空間，獲取文件名列表，上傳、下載和刪除文件。

軟硬件聯(lián)合仿真的必要性：

Mini Web卡軟件模塊多，軟件開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大。軟件對(duì)硬件的依賴較強(qiáng)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器的訪問驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、DMA驅(qū)動(dòng)，需要軟硬件協(xié)同調(diào)試。

文件系統(tǒng)的開發(fā)，在仿真環(huán)境下更容易和快捷。比如在仿真結(jié)束時(shí)，可以將SMART MEDIA仿真模型中的數(shù)據(jù)倒換到磁盤文件中，在仿真開始時(shí)，將磁盤文件中的數(shù)據(jù)加載到SMART MEDIA仿真模型中，在定位文件系統(tǒng)的問題時(shí)，這一個(gè)功能很有用。

采用軟硬件聯(lián)合仿真，便于系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)。51單片機(jī)的外部RAM訪問效率較低，內(nèi)存拷貝、外部器件之間的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)移很浪費(fèi)時(shí)間。將大量數(shù)據(jù)的拷貝操作或數(shù)據(jù)塊校驗(yàn)、比較操作在CPLD內(nèi)實(shí)現(xiàn)，可以大大改進(jìn)51單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。通過軟硬件聯(lián)合仿真，可以評(píng)估CPLD處理數(shù)據(jù)對(duì)性能的改進(jìn)。

Mini Web卡軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)：

軟硬件聯(lián)合仿真主要解決的問題是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，它不解決電源、濾波電容、總線電平兼容問題。

做系統(tǒng)仿真，首先要對(duì)硬件系統(tǒng)建模。我們關(guān)注的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可執(zhí)行性。

系統(tǒng)中的串口只是用來支持ISP下載軟件，軟件部分沒有對(duì)串口做任何操作，所以系統(tǒng)仿真可以不必考慮。

網(wǎng)卡芯片AX88796，廠商沒有提供仿真模型。它與CPU的接口符合ISA接口標(biāo)準(zhǔn)，軟件對(duì)AX88796的操作是根據(jù)NE2000標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡芯片設(shè)計(jì)的，由此我們建立了一個(gè)網(wǎng)卡芯片的仿真模型。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)MAC BFM來仿真網(wǎng)卡芯片的ISA接口，NE2000定義的寄存器在C模型中實(shí)現(xiàn)，MAC BFM與NE2000寄存器C模型通過PLI接*換數(shù)據(jù)。

SRAM仿真模型是很容易獲取的，很多器件生產(chǎn)商都提供Verilog仿真模型，但器件生產(chǎn)商提供的Verilog仿真模型都包含復(fù)雜的延時(shí)控制代碼，這會(huì)影響仿真速度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們可以確保SRAM在單板設(shè)計(jì)中被正確應(yīng)用，不會(huì)產(chǎn)生時(shí)序問題，所以我們可以采用一個(gè)簡(jiǎn)化的SRAM仿真模型，這是我們自己設(shè)計(jì)的，有效代碼只有十幾行。

51CPU BFM 負(fù)責(zé)單片機(jī)管腳時(shí)序的產(chǎn)生和捕獲。51CPU BFM是與ISS51緊密捆綁的，由ISS51安裝程序提供。

SMART MEDIA是三星公司提供的仿真模型，我們使用的也是三星公司的同類型存儲(chǔ)卡。該模型可以用于驗(yàn)證軟件操作SMART MEDIA的正確性和DMA Controller的接口時(shí)序。

DMA Controller是Mini Web卡硬件開發(fā)的一部分，將邏輯設(shè)計(jì)代碼應(yīng)用于仿真，既能檢測(cè)邏輯設(shè)計(jì)的正確性，又能使整個(gè)仿真系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

虛擬網(wǎng)卡

做系統(tǒng)仿真，必須輸入來自真實(shí)世界的激勵(lì)，并將仿真系統(tǒng)的輸出傳遞到真實(shí)世界。即便是不能連接到真實(shí)世界，也應(yīng)該提供模擬真實(shí)世界的輸入，并對(duì)仿真系統(tǒng)的輸出進(jìn)行檢測(cè)和分析。

對(duì)于Mini Web卡來說，它和真實(shí)環(huán)境是通過網(wǎng)口連接的。使用虛擬網(wǎng)卡技術(shù)，能夠?qū)D3中的MAC C Model與虛擬網(wǎng)卡進(jìn)行通訊。

對(duì)于運(yùn)行在Windows系統(tǒng)上的應(yīng)用程序來說，它并不知道網(wǎng)卡是虛擬的還是真實(shí)的，應(yīng)用程序通過虛擬網(wǎng)卡收發(fā)數(shù)據(jù)，事實(shí)上是與仿真系統(tǒng)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

這樣就可以使用TFTP向Mini Web卡仿真系統(tǒng)傳遞網(wǎng)頁文件，使用IE瀏覽Mini Web卡仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)頁，Mini Web卡的所有功能都能夠被檢驗(yàn)。

使用網(wǎng)絡(luò)臭探器Sniffer可以監(jiān)控虛擬網(wǎng)卡的報(bào)文流，方便協(xié)議調(diào)試。

仿真加速技術(shù)

軟硬件聯(lián)合仿真，影響仿真速度的瓶頸在HDL代碼部分的仿真。如果不設(shè)法提高HDL代碼部分的仿真速度，軟件調(diào)試就非常低效。

提高硬件仿真速度的方法之一是軟件硬件仿真采用事件同步，只在CPU訪問IO時(shí)保持軟件和硬件是同步的。

仿真加速方法之二是硬件仿真系統(tǒng)時(shí)鐘休眠。對(duì)于Mini Web卡來說，只有DMA Controller是受時(shí)鐘控制的，軟件沒有操作DMA Controller的期間，DMA Controller的運(yùn)作是毫無意義的，所以可以在非DMA操作期間，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行休眠;ISS51在每次IO訪問時(shí)，給出與上次IO訪問的時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差經(jīng)過處理可以作為時(shí)鐘休眠的時(shí)間段。如果ISS51連續(xù)進(jìn)行IO訪問，就不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘休眠了。DMA Controller工作于查詢方式，可以采用時(shí)鐘休眠技術(shù)，而不會(huì)導(dǎo)致仿真與真實(shí)結(jié)果的不一致。

方法之三是，縮短SMART MEDIA仿真模型中的一些長(zhǎng)延時(shí)的時(shí)間參數(shù)。因?yàn)樵诘却齋MART MEDIA進(jìn)入就緒狀態(tài)時(shí)，CPU必須連續(xù)查詢IO，影響仿真速度。我們主要用于軟件功能驗(yàn)證，這種修改也是可以接受的。

方法之四，在軟件設(shè)計(jì)上，謹(jǐn)慎使用外部中斷，因?yàn)橐坏┲袛鄦?dòng)，ISS51需要在每個(gè)機(jī)器周期查詢是否有中斷信號(hào)，導(dǎo)致軟件仿真和硬件仿真在每個(gè)指令上都進(jìn)行同步，影響仿真速度。如果一定要使用外部中斷，建議用C模型代替Verilog模型，這樣可不影響仿真速度;或者由用戶根據(jù)外部模塊產(chǎn)生外部中斷的時(shí)機(jī)，使用ISS51的控制命令，在恰當(dāng)時(shí)刻使能ISS51的中斷模塊。

在一個(gè)普通PC （CPU為AMD速龍1000，SDRM512M 133），運(yùn)行Mini Web卡仿真系統(tǒng)，使用PING命令測(cè)試Mini Web卡仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度：

Reply from 10.10.112.76： bytes=32 time=64ms TTL=128

使用IE打開Mini Web卡仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)頁文件，感覺和撥號(hào)上網(wǎng)的速度差不太多。創(chuàng)建多個(gè)TFTP連接，同時(shí)向仿真系統(tǒng)傳遞或下載網(wǎng)頁文件，同時(shí)使用IE進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽，都無響應(yīng)中斷現(xiàn)象出現(xiàn)。

總結(jié)

使用軟硬件聯(lián)合仿真，Mini Web卡不需要硬件就能進(jìn)行全部功能的仿真，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的信心。軟硬件聯(lián)合仿真方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)整，可以在設(shè)計(jì)前期*估性能，方便軟件和硬件的debug，是一個(gè)值得推廣的技術(shù)。