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單片機(jī)軟硬件聯(lián)合仿真解決方案
本文介紹一種嵌入式系統(tǒng)仿真方法，通過(guò)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(yǔ)言仿真器軟件Modelsim連接起來(lái)，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(yǔ)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(yǔ)言接口，是C語(yǔ)言模塊和Verilog語(yǔ)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(yǔ)言，是一種解釋執(zhí)行語(yǔ)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(wèn)。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(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，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)是很低效的，需要24個(gè)時(shí)鐘周期才能進(jìn)行一次IO訪問(wèn)，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(wèn)，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(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(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(wèn)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(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(tǒng)前期設(shè)計(jì)。51單片機(jī)的外部RAM訪問(wèn)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(guò)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(wèn)題是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
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