基于MCU內(nèi)部Flash的在線仿真器設(shè)計方案

摘要：提出了一種基于MCU內(nèi)部Flash的仿真器設(shè)計方法，并完成了設(shè)計和仿真。

由于市場對MCU功能的要求總是不斷變化和升級，MCU應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴展，因此往往需要對最初的設(shè)計進(jìn)行修改。Flash MCU與以往OTP/MASK MCU相比，最大的優(yōu)點就在于可進(jìn)行高達(dá)上萬次的擦寫操作，順應(yīng)了MCU功能不斷修改的需求；另一方面，Flash MCU市場價格也在不斷下降。實際上，F(xiàn)lash MCU工作時Flash的延時、讀寫時充等特性是非常，程序存儲在MCU外部仿真板上的SRAM中，由額外的硬件邏輯來模擬Flash的這些特性是費時低效的；同時將Flash和MCU內(nèi)嵌的其他類型存儲器如SRAM、ROM等區(qū)分開來也是十分重要的。如果在程序的調(diào)試階段就可以反映出這特性，有且于實現(xiàn)程序從仿真器到商用MCU芯片的無縫轉(zhuǎn)移。

1 關(guān)于Flash MCU

Flash MCU的構(gòu)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(yīng)用模塊單元，如用于尋呼的Flash MCU所包含的解碼模塊。對于用來構(gòu)成在線仿真器的Flash MCU還可能包括仿真接口單元。本文在討論Flash MCU的在線仿真時，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。

Flash存儲器幾乎擁有現(xiàn)今追求個性化的用戶所需要的所有優(yōu)點：掉電數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時間、電可擦除、容量大、在線（系統(tǒng)）可編程、價格低廉以及足夠多的擦寫次數(shù)的高可靠性等，已成為新一代嵌入式應(yīng)用的首選存儲器。與Flash MCU相比，MASK（掩膜）MCU盡管在大指生產(chǎn)時仍具備一定價格優(yōu)勢，但其升級不便的缺點，隨著今后Flash成本的進(jìn)步降低和MCU功能需求的逐漸增多，將表現(xiàn)得更為顯著。

2 基于外部SRAM的MCU在線仿真器

SRAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。而DRAM（Dynamic Random Access Memory）每隔一段時間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內(nèi)存可以設(shè)計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，且功耗較大。所以在主板上SRAM存儲器要占用一部分面積。

一種是置于CPU與主存間的高速緩存，它有兩種規(guī)格：一種是固定在主板上的高速緩存（Cache Memory ）；另一種是插在卡槽上的COAST（Cache ON A Stick）擴充用的高速緩存，另外在CMOS芯片1468l8的電路里，它的內(nèi)部也有較小容量的128字節(jié)SRAM，存儲我們所設(shè)置的配置數(shù)據(jù)。還有為了加速CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳送，自80486CPU起，在CPU的內(nèi)部也設(shè)計有高速緩存，故在Pentium CPU就有所謂的L1 Cache（一級高速緩存）和L2Cache（二級高速緩存）的名詞，一般L1 Cache是內(nèi)建在CPU的內(nèi)部，L2 Cache是設(shè)計在CPU的外部，但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同時設(shè)計在CPU的內(nèi)部，故Pentium Pro的體積較大。Pentium II又把L2 Cache移至CPU內(nèi)核之外的黑盒子里。

MCU仿真器的一種常見做法是，將用戶的待調(diào)試程序（以下簡稱用戶程序）存儲在MCU外部仿真板的SRAM（以下簡稱外部SRAM）中，在bond-out MCU的外部結(jié)構(gòu)仿真監(jiān)控硬件（以下簡稱外部仿真邏輯），當(dāng)用戶程序在仿真器中調(diào)試完成后，編程到商用MCU芯片中，應(yīng)用到用戶系統(tǒng)。在商用MCU中，這些仿真接口信號不會出現(xiàn)在芯片封裝的管腳上。

在Flash MCU沒有被廣泛應(yīng)用之前，仿真器設(shè)計公司通常將用戶程序和監(jiān)控程序都存儲在外部SRAM中，這種做法基本上可以反映SRAM MCU真實的運行情況，對用戶程序的調(diào)度效果影響不大。但是對于Flash MCU而言，則存在一定的問題。畢競SRAM和Flash在工藝和讀寫時序上相去甚遠(yuǎn)，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(xiàn)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中工作起來卻不正常。隨著Flash MCU在 MCU市場中的比重越來越大，這一問題顯得越來越突出，有必要加以重視。

本文介紹的Flash MCU仿真器的設(shè)計方法，幾乎不增加MCU的仿真接口信號和芯片設(shè)計的復(fù)雜程度，就可以接近程序在商用MCU中的運行情況，實現(xiàn)用戶程序從仿真器到商用MCU的良好轉(zhuǎn)移。

3 基于MCU內(nèi)部Flash的在線仿真器的一種設(shè)計方法

圖2是Flash MCU仿真器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，其中的虛線接口信號是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(shù)據(jù)、讀/寫和取指等信號，以及少數(shù)幾個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(jiān)控MCU的內(nèi)部狀態(tài)。

3.1 仿真器的工作原理

仿真器內(nèi)部的P口等硬件資源和51系列單片機基本是完全兼容的。仿真主控程序被存儲在仿真器芯片特殊的指定空間內(nèi)，有一段特殊的地址段用來存儲仿真主控程序，仿真主控程序就象一臺電腦的操作系統(tǒng)一樣控制仿真器的正確運轉(zhuǎn)。仿真器和電腦上的上位機軟件（即KEIL）是通過串口相連的，通過仿真器芯片的RXD和TXD負(fù)責(zé)接收電腦主機發(fā)來的控制數(shù)據(jù)，TXD負(fù)責(zé)給電腦主機發(fā)送反饋信息?？刂浦噶钣蒏EIL發(fā)出，由仿真器內(nèi)部的仿真主控程序負(fù)責(zé)執(zhí)行接收到的數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行正確的處理。進(jìn)而驅(qū)動相應(yīng)的硬件工作，這其中也包括把接收到的BIN或者其它格式的程序存放到仿真器芯片內(nèi)部用來存儲可執(zhí)行程序的存儲單元（這個過程和把程序燒寫到51芯片里面是類似的，只是仿真器的擦寫是以覆蓋形式來做的），這樣就實現(xiàn)了類似編程器反復(fù)燒寫來試驗的功能！不同的是通過仿真主控程序可以做到讓這些目標(biāo)程序做特定的運行，比如單步、指定斷點、指定地址等，并且通過KEIL可時時觀察到單片機內(nèi)部各個存儲單元的狀態(tài)。仿真器和電腦主機聯(lián)機后就象是兩個精密的齒輪相互咬合的關(guān)系，一量強行中斷這種聯(lián)系（比如強行給仿真器手動復(fù)位或都撥支聯(lián)機線等），電腦就會提示聯(lián)機出現(xiàn)問題，這也體現(xiàn)了硬件仿真的特性，即所見即所得。這些都是編程器無法做到的。這些給調(diào)試、修改、以及生成最終程序創(chuàng)造了比較有力的保證，從而實現(xiàn)較高的效率。

仿真器工作時，CPU的取指空間需要在內(nèi)外存儲器之間反復(fù)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)機共有四個狀態(tài)：

·用戶程序運行態(tài)（簡稱用戶態(tài)）

仿真器復(fù)位后，處在運行用戶程序的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，CPU運行存儲在內(nèi)部Flash中的用戶程序；外部仿真邏輯實時監(jiān)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(zhuǎn)態(tài)。

用戶程序通過MCU的ISP（在線編程接口）編程到內(nèi)部Flash中，由Flash MCU的專用編程器完成。在設(shè)計bond-out MCU時，應(yīng)該考慮與非bond-out MCU在編程時管腳的一致性。

外部SRAM用來存儲監(jiān)控程序和監(jiān)時數(shù)據(jù)。

·跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到監(jiān)控程序窗口。

由于在程序中何處中斷是不可預(yù)知的，因此不可能在用戶程序中預(yù)先安插好用于空間切換的跳轉(zhuǎn)指令。所以需要一個專門的狀態(tài)來插入跳轉(zhuǎn)指令碼和跳轉(zhuǎn)的目的地址，即監(jiān)控程序的入口地址，強制CPU運行監(jiān)控程序。監(jiān)控程序窗口是劃分CPU地址空間時，為仿真功能預(yù)留的地址空間，空間大小視所需的監(jiān)控程序的大小而定，監(jiān)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(zhuǎn)指令碼和跳轉(zhuǎn)地址。MCU外部仿真邏輯同時使能程序空間切換信號，屏蔽MCU的所外部中斷，停止MCU中CPU外圍模塊的時鐘，也就相當(dāng)于屏蔽了MCU的所有內(nèi)部中斷。當(dāng)程序空間的切換完成后，仿真器進(jìn)入監(jiān)控態(tài)，運行存儲在外部SRAM中的監(jiān)程序。

·監(jiān)控態(tài)

在監(jiān)控狀態(tài)下，CPU運行存儲在外部SRAM中的監(jiān)控程序；繼續(xù)禁止MCU的所有外部中斷，停止MCU中CPU外圍硬件模塊的時鐘。

監(jiān)控程序的任務(wù)是獲取MCU當(dāng)前的狀態(tài)，接受軟件的調(diào)試命令，控制MCU的下一步運行。監(jiān)控程序可以寫得很簡單，僅僅獲取CPU特殊寄存器和外圍硬件寄存器的值，實現(xiàn)監(jiān)視功能。如MOTOROLA的HC6808就可以通過在監(jiān)控程序開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，可以通過在MCU內(nèi)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(dāng)不再繼續(xù)調(diào)試，給出開始運行的命令，監(jiān)控程序結(jié)束對運行命令的等待，并且將CPU特殊寄存器的值恢復(fù)。繼續(xù)運行監(jiān)控程序，直到最后一條指令即跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行返回態(tài)。

·返回態(tài)

CPU執(zhí)行監(jiān)控程序的最后一條指令-跳轉(zhuǎn)指令。外部仿真邏輯在指令碼后緊接著插入本次中斷事件的中斷點地址（進(jìn)入監(jiān)控程序之前的用戶程序指令地址），CPU的取指空間需要跳回到用戶程序空間。取消對外部中斷的屏蔽，恢復(fù)CPU外圍模塊的工作時鐘，監(jiān)控程序完成使命，回到用戶態(tài)，繼續(xù)運行內(nèi)部Flash中的用戶程序。

3.2 內(nèi)部仿真邏輯

為了構(gòu)造合適的MCU的仿真接口，必須在MCU設(shè)計時，在MCU內(nèi)部增加一個仿真接口模塊，稱為內(nèi)部仿真接口模塊。負(fù)責(zé)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信號線的考慮，將地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)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(fù)責(zé)接收計算機通過并口發(fā)送的仿真命令，監(jiān)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、斷點判斷模塊、軌跡紀(jì)錄模塊、并口接口模塊和外部SRAM讀寫控制模塊等部分組成。各個模塊的作用簡單介紹如下：

·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(shù)據(jù)、讀/寫、取指、地址鎖存等信號；根據(jù)并口接口模塊給出的來自軟件的仿真命令，并接收來自斷點判斷模塊的斷點標(biāo)志信號；產(chǎn)生送給MCU的程序空間切換使能信號；運行監(jiān)控程序時，給出讀寫外部SRAM所需信號，并接收讀出的數(shù)據(jù)，將其送給MCU。

·斷點判斷模塊

根據(jù)外部仿真接口模塊送來的CPU地址，讀取斷點標(biāo)志存儲器中的相應(yīng)值。如果讀出的標(biāo)志為有效值，表示當(dāng)前地址為斷地址。接收來自并口接口模塊的設(shè)置和清除斷點命令，將斷點存儲器的相應(yīng)位置1或置0。允許設(shè)置任意數(shù)目的硬件斷點。

·軌跡紀(jì)錄模塊

將外部仿真接口模塊送來的CPU取指地址，存儲在軌跡紀(jì)錄的存儲器中。軌跡紀(jì)錄的存儲器采用的FIFO的方式，所能紀(jì)錄的軌跡長度是有限的，存滿刷新。軟件讀取該存儲器，可以得到CPU的運行軌跡。

·并口接口模塊

并口接口（并行接口），簡稱并口，也就是LPT接口，是采用并行通信協(xié)議的擴展接口。并口的數(shù)據(jù)傳輸率比串口快8倍，標(biāo)準(zhǔn)并口的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps。并口采用的是25針D形接頭。所謂“并行”，是指8位數(shù)據(jù)同時通過并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾就會增加，數(shù)據(jù)也就容易出錯。目前，并行接口主要作為打印機端口等。

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(shè)計，以滿足不同模式的通信時序要求。

·外部SRAM讀寫控制模塊

仿真過程中，仿真器的不同部分需要分時讀寫外部SRAM，包括：并口接口模塊下裝程序到外部SRAM；MCU在監(jiān)控態(tài)從外部SRAM中讀取程序指令，存儲臨時數(shù)據(jù)等。

對于Flash MCU而言，這種將用戶的待調(diào)試程序存儲在MCU內(nèi)部的Flash中，將監(jiān)控程序存儲在MCU外部的SRAM中，并在MCU外部構(gòu)造仿真邏輯，通過對采用bond-out技術(shù)的MCU的bond-out管腳進(jìn)行監(jiān)控，來實現(xiàn)在線仿真的做法，在芯片設(shè)計時不需要做太多的工作，而且可以反映程序真實的運行效果。而相對于用硬件平臺如FPGA仿真，則價格低廉許多，是一種種權(quán)衡折衷的方法。作者提取了一個簡單的Flash MCU模型，用這種方法完成了仿真器的邏輯設(shè)計，用Synopsys DC綜合，用Quartus布線Altera APEX 20K200 FPGA中，用ModelSim5.4進(jìn)行了后仿真，完成了仿真驗證。結(jié)果證明這樣的做法是可行的。