基于8051內(nèi)核SoC的模擬驗(yàn)證與仿真

1 概 述

　　隨著集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展和EDA設(shè)計(jì)水平的迅速提高，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP（Intellectual Property）核進(jìn)行系統(tǒng)芯片SOC(System on Chip)設(shè)計(jì)的能力和技術(shù)得到了大大提高。利用該技術(shù)，可以將整個(gè)系統(tǒng)包括微處理器、ASIC、內(nèi)存和外設(shè)等集成到一個(gè)芯片中。在進(jìn)行SoC 芯片設(shè)計(jì)過程中，由于8051系列單片機(jī)的廣泛使用和成熟的技術(shù)，許多SoC芯片的設(shè)計(jì)者在選用8位處理器做內(nèi)核時(shí)常采用8051。SoC芯片的設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的，不僅要考慮芯片IP核的系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、不同工藝的綜合等問題，還要考慮在設(shè)計(jì)過程中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的模擬驗(yàn)證以及設(shè)計(jì)成功后針對(duì)該芯片仿真裝置的實(shí)現(xiàn)，從而促進(jìn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片的迅速推廣。

2 SoC芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

　　SoC芯片是一種以可重用IP核為基礎(chǔ)，以軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)為主要設(shè)計(jì)方法的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)[1]。參考文獻(xiàn)[2]提出的SoC設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
　　　　　　　　　　　

　　系統(tǒng)芯片經(jīng)軟硬件劃分后，設(shè)計(jì)基本分為兩部分：芯片硬件設(shè)計(jì)和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。芯片硬件設(shè)計(jì)包括硬件描述、時(shí)序設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等；軟件協(xié)同設(shè)計(jì)要考慮指令集、指令編譯系統(tǒng)、開發(fā)集成環(huán)境、模擬仿真設(shè)備等。為達(dá)到盡快上市的目的，要求這兩方面并行展開，甚至要求在芯片上市之前，相應(yīng)的開發(fā)裝置和仿真環(huán)境就應(yīng)該建立起來(lái)。對(duì)于需要進(jìn)行程序掩模的芯片，這種要求就更加迫切。

2.2 應(yīng)用于固網(wǎng)短消息電話的SoC設(shè)計(jì)

　　該芯片是根據(jù)中國(guó)電信對(duì)于固網(wǎng)短消息話機(jī)的要求而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)芯片，可以廣泛應(yīng)用于來(lái)電顯示電話（CID：Calling Identify Delivery）和固網(wǎng)短消息電話等。

　　該系統(tǒng)芯片將CPU和多個(gè)模擬功能模塊（CID部分）集成到一個(gè)芯片內(nèi)，采用8051為CPU核，指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容；CID部分由FSK調(diào)制解調(diào)器、DTMF（雙音多頻）撥號(hào)、CAS（CPE Alerting Signal）信號(hào)檢測(cè)、振鈴檢測(cè)等IP核組成。這是一個(gè)數(shù)模混合并具備完整電話功能的系統(tǒng)芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　　　　

　　設(shè)計(jì)中，8051核與各功能IP核通過寄存器和數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

　　8051內(nèi)部有256字節(jié) RAM，其中后128字節(jié)為特殊功能寄存器。我們?cè)谠撔酒O(shè)計(jì)中將CID部分電路所用寄存器（共12個(gè)）定義在該區(qū)間內(nèi)。

　　該芯片工作流程如下：振鈴檢測(cè)模塊在檢測(cè)到振鈴信號(hào)后，置位RING_F寄存器中相應(yīng)位，產(chǎn)生中斷或經(jīng)CPU輪循檢測(cè)；軟件響應(yīng)該信號(hào)后置位FSK_F中FSK使能寄存器，F(xiàn)SK解調(diào)器工作，F(xiàn)SK在接收到數(shù)據(jù)后，置位FSK_F中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器，產(chǎn)生中斷或CPU輪循檢測(cè)，軟件通過數(shù)據(jù)總線讀出該數(shù)據(jù)；CAS模塊根據(jù)CAS_F中CAS捕獲時(shí)間寄存器檢測(cè)，收到CAS信號(hào)后，置位CAS_F中相應(yīng)寄存器，產(chǎn)生中斷；DTMF信號(hào)產(chǎn)生模塊根據(jù)DTMF_F寄存器內(nèi)容發(fā)出DTMF信號(hào)。

3 系統(tǒng)芯片驗(yàn)證和仿真器設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)芯片的驗(yàn)證問題

　　系統(tǒng)芯片在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)結(jié)束后，按流程要求進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，這就需要構(gòu)建一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說，采用FPGA基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片設(shè)計(jì)的完全驗(yàn)證；而對(duì)于數(shù)?；旌想娐废到y(tǒng)芯片來(lái)說，驗(yàn)證則十分復(fù)雜。在本設(shè)計(jì)中，由于各外圍模擬IP核在市場(chǎng)上均有相應(yīng)模塊，因此，可以考慮將FPGA和這些模擬芯片有機(jī)地組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)芯片的驗(yàn)證。

3.2 仿真器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　一個(gè)8051仿真器系統(tǒng)包括仿真器、編譯器、集成開發(fā)和調(diào)試仿真環(huán)境等。在進(jìn)行基于8051核設(shè)計(jì)SoC芯片時(shí)，為達(dá)到加快研發(fā)速度、縮短上市時(shí)間、減少開發(fā)費(fèi)用等目的，考慮采用市場(chǎng)上成熟的并為眾多用戶所使用的集成開發(fā)環(huán)境和開發(fā)裝置，如KEIL等。

3.3 芯片驗(yàn)證和仿真器設(shè)計(jì)方案

　　在前面描述中可以看到，在該芯片設(shè)計(jì)中由于采用標(biāo)準(zhǔn)的8051核，其指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)基本沒有改變，但其中一些特殊寄存器與外圍模塊之間建立了映射關(guān)系，中斷源也得到了擴(kuò)充。因此，驗(yàn)證和仿真器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于能否正確反映這些寄存器的狀態(tài)或通過寄存器控制這 些外圍模塊的工作。

在系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)流程中，仿真器的設(shè)計(jì)與芯片設(shè)計(jì)同步甚至要提前，因此沒有現(xiàn)成的CPU芯片作仿真器核心；而簡(jiǎn)單地將CPU與FSK、DTMF、CAS等功能芯片組合起來(lái)替代該CPU芯片，不能實(shí)現(xiàn)完全仿真和模擬，特別是無(wú)法獲得外圍模擬模塊的狀態(tài)。

　　在這里，我們采用FPGA和FSK、DTMF、CAS等功能芯片組合成模擬CPU來(lái)替代所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)芯片，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D3。圖3中，8051核及數(shù)字接口部分由FPGA實(shí)現(xiàn)；CID部分中，F(xiàn)SK、DTMF、CAS、振鈴檢測(cè)等模塊則由相應(yīng)硬件模塊實(shí)現(xiàn)。
　　　　　　

　　FSK、DTMF、CAS、振鈴檢測(cè)等模塊通過接口與FPGA中8051相應(yīng)寄存器對(duì)應(yīng)，這樣在這些外圍模塊動(dòng)作的同時(shí)，在8051寄存器中都能正確映射；反之，F(xiàn)PGA中相應(yīng)寄存器的改變，也會(huì)引起這些外圍模塊的動(dòng)作。

　　圖3是建立在通用8051仿真器上的短消息系統(tǒng)芯片仿真方案。模擬CPU模塊集成了FPGA和CID部分芯片和電路，該模塊采用與8051定義一致的引腳與仿真板相連。對(duì)于仿真板來(lái)說，該模塊的命令和操作　　

◇完全兼容

現(xiàn)有集成開發(fā)和仿真環(huán)境；
　　◇簡(jiǎn)化了數(shù)模混合設(shè)計(jì)的驗(yàn)證問題；
　　◇經(jīng)過改進(jìn)，可以利用通用仿真器仿真和調(diào)試硬件、軟件；
　　◇由于FPGA可以隨著芯片的改進(jìn)而重新編程，因此增大了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的靈活性；
　　◇縮短了開發(fā)時(shí)間，加快芯片上市時(shí)間。

4 結(jié) 論

　　利用該方案構(gòu)成的系統(tǒng)芯片驗(yàn)證和仿真方案已經(jīng)在我們的設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。事實(shí)上，利用該方案的思想不僅可以實(shí)現(xiàn)基于8051核系統(tǒng)芯片的驗(yàn)證和仿真，其它系統(tǒng)芯片的驗(yàn)證和仿真也是可以借鑒的。


參考文獻(xiàn)
1 李志堅(jiān)，周潤(rùn)德. VLSI器件電路與系統(tǒng). 北京：科學(xué)出版社，2000
2 Cadence. CC2.1 Production Documentation與標(biāo)準(zhǔn)8051是一致的，因此通用的仿真和集成環(huán)境