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摘要：提出了一種基于MCU內部Flash的仿真器設計方法，并完成了設計和仿真。 關(guān)鍵詞：微控制器 在線(xiàn)仿真 開(kāi)發(fā)系統 Flash SRAM 由于市場(chǎng)對MCU功能的要求總是不斷變化和升級，MCU應用的領(lǐng)域也不斷擴展， 因此往往需要對最初的設計進(jìn)行修改。Flash MCU與以往OTP/MASK MCU相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就在于可進(jìn)行高達上萬(wàn)次的擦寫(xiě)操作，順應了MCU功能不斷修改的需求;另一方面，Flash MCU市場(chǎng)價(jià)格也在不斷下降。因此，許多OEM已將Flash MCU用于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。對于Flash MCU,基于內部Flash的在線(xiàn)仿真器更接近于程序真實(shí)的運行特性，程序調試的效果更好，效率更高。實(shí)際上，Flash MCU工作時(shí)Flash的延時(shí)、讀寫(xiě)時(shí)充等特性是非常，程序存儲在MCU外部仿真板上的SRAM中，由額外的硬件邏輯來(lái)模擬Flash的這些特性是費時(shí)低 效的;同時(shí)將Flash和MCU內嵌的其他類(lèi)型存儲器如SRAM、ROM等區分開(kāi)來(lái)也是十分重要的。如果在程序的調試階段就可以反映出這特性，有且于實(shí)現 程序從仿真器到商用MCU芯片的無(wú)縫轉移。 1 關(guān)于Flash MCU Flash MCU的構成如圖1所示，主要由CPU核、Flash IP及其控制模塊、SRAM IP及基控制模塊、WatchDog、PMU(Power Manage Unit，功耗管理單元)、I/O端口以及ISP在線(xiàn)編程接口等組成。不同功能的Flash MCU還包含一些各自獨特的應用模塊單元，如用于尋呼的Flash MCU所包含的解碼模塊。對于用來(lái)構成在線(xiàn)仿真器的Flash MCU還可能包括仿真接口單元。本文在討論Flash MCU的在線(xiàn)仿真時(shí)，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。 Flash存儲器幾乎擁有現今追求個(gè)性化的用戶(hù)所需要的所有優(yōu)點(diǎn)：掉電數據不丟失、快速的數據存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線(xiàn)(系統)可編程、價(jià)格低廉以及足夠多的擦寫(xiě)次數的高可靠性等，已成為新一代嵌入式應用的首選存儲器。與Flash MCU相比，MASK(掩膜)MCU盡管在大指生產(chǎn)時(shí)仍具備一定價(jià)格優(yōu)勢，但其升級不便的缺點(diǎn)，隨著(zhù)今后Flash成本的進(jìn)步降低和MCU功能需求的逐漸增多，將表現得更為顯著(zhù)。 2 基于外部SRAM的MCU在線(xiàn)仿真器 MCU仿真器的一種常見(jiàn)做法是，將用戶(hù)的待調試程序(以下簡(jiǎn)稱(chēng)用戶(hù)程序)存儲在 MCU外部仿真板的SRAM(以下簡(jiǎn)稱(chēng)外部SRAM)中，在bond-out MCU的外部結構仿真監控硬件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)外部仿真邏輯)，通過(guò)監視和控制仿真接口信號即bond-out的信號，來(lái)獲取MCU的狀態(tài)，是指將MCU內部的 某種信號連接到封裝的管腳上，使得外部仿真邏輯可以監視和控制MCU內部的狀態(tài)。這種非商用芯片專(zhuān)用于構成在線(xiàn)仿真器，當用戶(hù)程序在仿真器中調試完成后， 編程到商用MCU芯片中，應用到用戶(hù)系統。在商用MCU中，這些仿真接口信號不會(huì )出現在芯片封裝的管腳上。 在Flash MCU沒(méi)有被廣泛應用之前，仿真器設計公司通常將用戶(hù)程序和監控程序都存儲在外部SRAM中，這種做法基本上可以反映SRAM MCU真實(shí)的運行情況，對用戶(hù)程序的調度效果影響不大。但是對于Flash MCU而言，則存在一定的問(wèn)題。畢競SRAM和Flash在工藝和讀寫(xiě)時(shí)序上相去甚遠，CPU運行存儲在SRAM和Flash中的程序，情況是完全不同 的。有可能出現程序存儲的仿真器的外部SRAM中運行良好，但是編程到商用MCU中工作起來(lái)卻不正常。隨著(zhù)Flash MCU在 MCU市場(chǎng)中的比重越來(lái)越大，這一問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，有必要加以重視。 本文介紹的Flash MCU仿真器的設計方法，幾乎不增加MCU的仿真接口信號和芯片設計的復雜程度，就可以接近程序在商用MCU中的運行情況，實(shí)現用戶(hù)程序從仿真器到商用MCU的良好轉移。 3 基于MCU內部Flash的在線(xiàn)仿真器的一種設計方法 圖2是Flash MCU仿真器系統構成示意圖，其中的虛線(xiàn)接口信號是MCU的仿真接口，通常包括仿真使能信號，bond-out MCU中的CPU的地址、數據、讀/寫(xiě)和取指等信號，以及少數幾個(gè)用于仿真的控制信號。仿真接口是Flash MCU與外部仿真邏輯之間的橋梁，使得外部仿真邏輯能夠監控MCU的內部狀態(tài)。 3.1 仿真器的工作原理 仿真器復位后，CPU開(kāi)始運行存儲在MCU內部Flash(以下簡(jiǎn)稱(chēng)內部 Flash)中的用戶(hù)程序，外部仿真邏輯實(shí)時(shí)監測仿真接口信號，取得當前CPU運行指令的地址，判斷是否斷點(diǎn)。一旦遇到斷點(diǎn)，外部仿真邏輯停止用戶(hù)程序的 運行，切換程序運行的地址空間，開(kāi)始運行存儲在外部SRA模塊的監控程序。監控程序取得MCU的當前狀態(tài)，并根據軟件的調試要求，改變MCU內部的一個(gè)或 多個(gè)寄存器的值，控制MCU的下一步運行。當監控程序完成使命，需要將程序的運行空間切換回用戶(hù)程序空間，CPU取指從外部回到內部，繼續運行用戶(hù)程序。 在用戶(hù)程序運行過(guò)程中，軟件通過(guò)并口發(fā)送的調試指令可以控制外部仿真邏輯，隨時(shí)打斷程序運行，或者單步調試，工作的過(guò)程與斷點(diǎn)相心。斷點(diǎn)、單步及軟件中斷 在下文中斷稱(chēng)為程序中斷事件。 仿真器工作時(shí)，CPU的取指空間需要在內外存儲器之間反復切換。CPU地址空間劃分示意圖如圖3所示�？傮w上，仿真器的工作受圖4所示的狀態(tài)機控制。該狀態(tài)機共有四個(gè)狀態(tài)： ·用戶(hù)程序運行態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng)用戶(hù)態(tài)) 仿真器復位后，處在運行用戶(hù)程序的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，CPU運行存儲在內部Flash中的用戶(hù)程序;外部仿真邏輯實(shí)時(shí)監測仿真接口，等待程序中斷事件的發(fā)生，進(jìn)入下一狀態(tài)-跳轉態(tài)。 用戶(hù)程序通過(guò)MCU的ISP(在線(xiàn)編程接口)編程到內部Flash中，由Flash MCU的專(zhuān)用編程器完成。在設計bond-out MCU時(shí)，應該考慮與非bond-out MCU在編程時(shí)管腳的一致性。 外部SRAM用來(lái)存儲監控程序和監時(shí)數據。 ·跳轉態(tài) 一旦程序中斷事件發(fā)生，需要切換CPU的取指空間，跳轉到監控程序窗口。 由于在程序中何處中斷是不可預知的，因此不可能在用戶(hù)程序中預先安插好用于空間 切換的跳轉指令。所以需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的狀態(tài)來(lái)插入跳轉指令碼和跳轉的目的地址，即監控程序的入口地址，強制CPU運行監控程序。監控程序窗口是劃分CPU地 址空間時(shí)，為仿真功能預留的地址空間，空間大小視所需的監控程序的大小而定，監控程序的大小在一定程序上取決于仿真功能的強弱。 CPU從仿真接口讀跳轉指令碼和跳轉地址。MCU外部仿真邏輯同時(shí)使能程序空間切換信號，屏蔽MCU的所外部中斷，停止MCU中CPU外圍模塊的時(shí)鐘，也就相當于屏蔽了MCU的所有內部中斷。當程序空間的切換完成后，仿真器進(jìn)入監控態(tài)，運行存儲在外部SRAM中的監程序。 ·監控態(tài) 在監控狀態(tài)下，CPU運行存儲在外部SRAM中的監控程序;繼續禁止MCU的所有外部中斷，停止MCU中CPU外圍硬件模塊的時(shí)鐘。 監控程序的任務(wù)是獲取MCU當前的狀態(tài)，接受軟件的調試命令，控制MCU的下一 步運行。監控程序可以寫(xiě)得很簡(jiǎn)單，僅僅獲取CPU特殊寄存器和外圍硬件寄存器的值，實(shí)現監視功能。也可以有比較完備的功能，例如接收用戶(hù)的調試指令，修改 其中一些寄存器的值，命使得MCU再次運行時(shí)，按照用戶(hù)的調試要求往下運行。這需要在MCU設計時(shí)，保證在CPU外圍模塊的時(shí)鐘停止時(shí)，也可以讀寫(xiě)外部硬 件寄存器。至于CPU的5個(gè)特殊寄存器  C、ACC、IDX、CCR和SP，可以通過(guò)進(jìn)入監控程序執行特定的程序段得到。如MOTOROLA的 HC6808就可以通過(guò)在監控程序開(kāi)始處加入以下程序段得到這些寄存器的值。對于CPU指令集不支持讀取全部特殊寄存器的MCU，可以通過(guò)在MCU內部增 加測試邏輯得到。PC值即為程序中斷處CPU的取指地址。PSHA ;將ACC的值壓入堆棧 TPA ;將CCR的值傳送給ACC STA $2FEB ;將CCR的值存入存儲器，地址為$2FEB PULA ;將ACC彈出堆棧 STA $2FEA ;將ACC有值存入存儲器，地址為$2FEA STHX $5F ;將IDX(H：X)的值存入存儲器，地址為$005F TSX ;將SP的值傳送給IDX(H：X) STHX $5D ;將SP的值存放存儲器，地址為$005D 當不再繼續調試，給出開(kāi)始運行的命令，監控程序結束對運行命令的等待，并且將CPU特殊寄存器的值恢復。繼續運行監控程序，直到最后一條指令即跳轉指令進(jìn)行返回態(tài)。 ·返回態(tài) CPU執行監控程序的最后一條指令-跳轉指令。外部仿真邏輯在指令碼后緊接著(zhù)插 入本次中斷事件的中斷點(diǎn)地址(進(jìn)入監控程序之前的用戶(hù)程序指令地址)，CPU的取指空間需要跳回到用戶(hù)程序空間。取消對外部中斷的屏蔽，恢復CPU外圍模 塊的工作時(shí)鐘，監控程序完成使命，回到用戶(hù)態(tài)，繼續運行內部Flash中的用戶(hù)程序。 3.2 內部仿真邏輯 為了構造合適的MCU的仿真接口，必須在MCU設計時(shí)，在MCU內部增加一個(gè)仿 真接口模塊，稱(chēng)為內部仿真接口模塊。負責對仿真接口所需的CPU端口信號進(jìn)行處理(如出于減少bond-out信號線(xiàn)的考慮，將地址和數據總線(xiàn)復用)，并 產(chǎn)生外部仿真邏輯所需的控制信號如地址鎖存信號，接收來(lái)自外部仿真邏輯的控制信號如程序文憑間切換使能信號等。 3.3 外部仿真邏輯 外部仿真邏輯如圖2左部所示，負責接收計算機通過(guò)并口發(fā)送的仿真命令，監視MCU的仿真接口，控制仿真器的工作狀態(tài)。外部仿真邏輯由外部仿真接口模塊、斷點(diǎn)判斷模塊、軌跡紀錄模塊、并口接口模塊和外部SRAM讀寫(xiě)控制模塊等部分組成。各個(gè)模塊的作用簡(jiǎn)單介紹如下： ·外部仿真接口模塊 該模塊是外部仿真邏輯中仿真狀態(tài)機所在的核心模塊。功能包括：接收業(yè)自MCU的 地址、數據、讀/寫(xiě)、取指、地址鎖存等信號;根據并口接口模塊給出的來(lái)自軟件的仿真命令，給出仿真控制信號;在程序空間切換時(shí)插入跳轉指令和地址;將來(lái)自 MCU的地址和取指信號送給斷點(diǎn)判斷模塊，并接收來(lái)自斷點(diǎn)判斷模塊的斷點(diǎn)標志信號;產(chǎn)生送給MCU的程序空間切換使能信號;運行監控程序時(shí)，給出讀寫(xiě)外部 SRAM所需信號，并接收讀出的數據，將其送給MCU。 ·斷點(diǎn)判斷模塊 根據外部仿真接口模塊送來(lái)的CPU地址，讀取斷點(diǎn)標志存儲器中的相應值。如果讀出的標志為有效值，表示當前地址為斷地址。接收來(lái)自并口接口模塊的設置和清除斷點(diǎn)命令，將斷點(diǎn)存儲器的相應位置1或置0。允許設置任意數目的硬件斷點(diǎn)。 ·軌跡紀錄模塊 將外部仿真接口模塊送來(lái)的CPU取指地址，存儲在軌跡紀錄的存儲器中。軌跡紀錄的存儲器采用的FIFO的方式，所能紀錄的軌跡長(cháng)度是有限的，存滿(mǎn)刷新。軟件讀取該存儲器，可以得到CPU的運行軌跡。 ·并口接口模塊 提供仿真器和計算機并口之間的通信接口，可以針對不同的并口模式設計，以滿(mǎn)足不同模式的通信時(shí)序要求。 ·外部SRAM讀寫(xiě)控制模塊 仿真過(guò)程中，仿真器的不同部分需要分時(shí)讀寫(xiě)外部SRAM，包括：并口接口模塊下裝程序到外部SRAM;MCU在監控態(tài)從外部SRAM中讀取程序指令，存儲臨時(shí)數據等。 對于Flash MCU而言，這種將用戶(hù)的待調試程序存儲在MCU內部的Flash中，將監控程序存儲在MCU外部的SRAM中，并在MCU外部構造仿真邏輯，通過(guò)對采用 bond-out技術(shù)的MCU的bond-out管腳進(jìn)行監控，來(lái)實(shí)現在線(xiàn)仿真的做法，在芯片設計時(shí)不需要做太多的工作，而且可以反映程序真實(shí)的運行效 果。相對于完全在芯片仿真(on-chip debugger)，該方法簡(jiǎn)單，MCU的設計周期短;而相對于用硬件平臺如FPGA仿真，則價(jià)格低廉許多，是一種種權衡折衷的方法。作者提取了一個(gè)簡(jiǎn)單 的Flash MCU模型，用這種方法完成了仿真器的邏輯設計，用Synopsys DC綜合，用Quartus布線(xiàn)Altera APEX 20K200 FPGA中，用ModelSim5.4進(jìn)行了后仿真，完成了仿真驗證。結果證明這樣的做法是可行的。 |
