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單片機軟硬件聯(lián)合仿真解決方案
本文介紹一種嵌入式系統仿真方法，通過(guò)一種特殊設計的指令集仿真器ISS將軟件調試器軟件Keil uVision2和硬件語(yǔ)言仿真器軟件Modelsim連接起來(lái)，實(shí)現了軟件和硬件的同步仿真。
縮略詞解釋?zhuān)?/P>
BFM：總線(xiàn)功能模塊。在HDL硬件語(yǔ)言仿真中，BFM完成抽象描述數據和具體的時(shí)序信號之間的轉換。
PLI：Verilog編程語(yǔ)言接口，是C語(yǔ)言模塊和Verilog語(yǔ)言模塊之間交換數據的接口定義。
TCL：字面意思是工具命令語(yǔ)言，是一種解釋執行語(yǔ)言，流行EDA軟件一般都集成有TCL。使用TCL用戶(hù)可以編寫(xiě)控制EDA工具的腳本程序，實(shí)現工具操作自動(dòng)化。
ISS：CPU指令集仿真器，可以執行CPU的機器碼。
TFTP：簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議，Windows的tftp.exe既是該協(xié)議的客戶(hù)端實(shí)現。
SMART MEDIA：一種存儲卡，常用于數碼相機、MP3。
DMA：直接內存訪(fǎng)問(wèn)。用于外部設備之間高速數據轉移。
MAC：媒體接入控制器。本文中是指網(wǎng)卡芯片。
前言
傳統的嵌入式系統中，設計周期、硬件和軟件的開(kāi)發(fā)是分開(kāi)進(jìn)行的，并在硬件完成后才將系統集成在一起，很多情況下，硬件完成后才開(kāi)始進(jìn)行實(shí)時(shí)軟件和整體調試。軟硬件聯(lián)合仿真是一種在物理原型可用前，能盡早開(kāi)始調試程序的技術(shù)。
軟硬件聯(lián)合仿真有可能使軟件設計工程師在設計早期著(zhù)手調試，而采用傳統的方法，設計工程師直到硬件設計完成才能進(jìn)行除錯處理。有些軟件可在沒(méi)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(xiě)，但只有在硬件上運行后，才能真正對編碼進(jìn)行調試。通過(guò)采用軟硬件聯(lián)合仿真技術(shù)，可在設計早期開(kāi)始這一設計調試過(guò)程。由于軟件的開(kāi)發(fā)通常在系統開(kāi)發(fā)的后段完成，在設計周期中較早的開(kāi)始調試有可能將使這一項目提早完成，該技術(shù)會(huì )降低首次將硬件和軟件連接在一起時(shí)出現意外而致使項目延期完成所造成的風(fēng)險。
在取得物理原型前，采用軟硬件聯(lián)合仿真技術(shù)對硬件和軟件之間的接口進(jìn)行驗證，將使你不會(huì )花太多的時(shí)間在后期系統調試上。當你確實(shí)拿到物理原型開(kāi)始在上面跑軟件的時(shí)候，你會(huì )發(fā)現經(jīng)過(guò)測試的軟件部分將會(huì )正常工作，這會(huì )節省項目后期的大量時(shí)間及努力。
軟硬件聯(lián)合仿真系統由一個(gè)硬件執行環(huán)境和一個(gè)軟件執行環(huán)境組成，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯和控制界面，軟件通過(guò)一系列由處理器啟動(dòng)的總線(xiàn)周期與硬件的交互作用。本文以一個(gè)Mini Web卡的開(kāi)發(fā)介紹一種軟硬件聯(lián)合仿真系統。
該方案的核心是采用一個(gè)51單片機仿真引擎GoldBull ISS51（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ISS51），ISS51是51單片機開(kāi)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)現軟硬件同步仿真。在該系統中，Keil作為軟件調試界面，Modelsim作為硬件仿真和調試界面，ISS51負責軟件執行、監控軟件斷點(diǎn)、單步執行、內存和寄存器數據返回給Keil、CPU總線(xiàn)時(shí)序產(chǎn)生和捕獲、內部功能模塊（如定時(shí)器，串口）的運行等功能。
Mini Web卡介紹
Mini Web卡是一個(gè)運行在單片機上的Web服務(wù)器，提供網(wǎng)口連接，有大容量文件系統，提供TFTP和HTTP服務(wù)。盡管軟件系統比較復雜，但優(yōu)化編譯后，執行代碼還不足25K，為后續升級留下了足夠空間。
51CPU采用SST89系列，這種CPU具有ISP功能，可以通過(guò)RS232串口，直接將目標碼下載到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)現外圍器件之間的DMA傳遞。因為51CPU進(jìn)行IO訪(fǎng)問(wèn)是很低效的，需要24個(gè)時(shí)鐘周期才能進(jìn)行一次IO訪(fǎng)問(wèn)，在外圍設備之間轉移數據則需要更多的時(shí)鐘周期，使用DMA控制邏輯可以達到3個(gè)時(shí)鐘周期就能轉移一個(gè)字節。本系統中處理多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，需要大量報文收發(fā)和文件系統訪(fǎng)問(wèn)，采用DMA可以極大地提高51單片機的數據處理速度。DMA通道主要有MAC芯片與RAM之間的數據塊轉移，SMART MEDIA和RAM之間的數據塊轉移。
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；有較大的接收報文緩存，能夠平滑網(wǎng)絡(luò )流量，減少因51CPU處理速度慢導致的報文丟棄和重發(fā)。
SMART MEDIA是一個(gè)移動(dòng)存儲卡，主要用于存儲文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡。
文件系統是Mini Web卡的新開(kāi)發(fā)模塊，文件系統的測試主要通過(guò)TFTP來(lái)進(jìn)行，為此Mini Web卡上的TFTP服務(wù)程序進(jìn)行了特殊設計，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(kāi)發(fā)風(fēng)險較大。軟件對硬件的依賴(lài)較強，FLASH存儲器的訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)、網(wǎng)卡驅動(dòng)、DMA驅動(dòng)，需要軟硬件協(xié)同調試。
文件系統的開(kāi)發(fā)，在仿真環(huán)境下更容易和快捷。比如在仿真結束時(shí)，可以將SMART MEDIA仿真模型中的數據倒換到磁盤(pán)文件中，在仿真開(kāi)始時(shí)，將磁盤(pán)文件中的數據加載到SMART MEDIA仿真模型中，在定位文件系統的問(wèn)題時(shí)，這一個(gè)功能很有用。
采用軟硬件聯(lián)合仿真，便于系統前期設計。51單片機的外部RAM訪(fǎng)問(wèn)效率較低，內存拷貝、外部器件之間的數據塊轉移很浪費時(shí)間。將大量數據的拷貝操作或數據塊校驗、比較操作在CPLD內實(shí)現，可以大大改進(jìn)51單片機處理數據的能力。通過(guò)軟硬件聯(lián)合仿真，可以評估CPLD處理數據對性能的改進(jìn)。
Mini Web卡軟硬件聯(lián)合仿真系統：
軟硬件聯(lián)合仿真主要解決的問(wèn)題是系統功能設計與驗證
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