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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(tǒng)仿真方法，通過一種特殊設(shè)計的指令集仿真器ISS將軟件調(diào)試器軟件Keil uVision2和硬件語言仿真器軟件Modelsim連接起來，實現(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硬件語言仿真中，BFM完成抽象描述數(shù)據(jù)和具體的時序信號之間的轉(zhuǎn)換。
PLI：Verilog編程語言接口，是C語言模塊和Verilog語言模塊之間交換數(shù)據(jù)的接口定義。
TCL：字面意思是工具命令語言，是一種解釋執(zhí)行語言，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，實現(xiàn)工具操作自動化。
ISS：CPU指令集仿真器，可以執(zhí)行CPU的機器碼。
TFTP：簡單文件傳輸協(xié)議，Windows的tftp.exe既是該協(xié)議的客戶端實現(xiàn)。
SMART MEDIA：一種存儲卡，常用于數(shù)碼相機、MP3。
DMA：直接內(nèi)存訪問。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)行實時軟件和整體調(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)計工程師在設(shè)計早期著手調(diào)試，而采用傳統(tǒng)的方法，設(shè)計工程師直到硬件設(shè)計完成才能進(jìn)行除錯處理。有些軟件可在沒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，但只有在硬件上運行后，才能真正對編碼進(jìn)行調(diào)試。通過采用軟硬件聯(lián)合仿真技術(shù)，可在設(shè)計早期開始這一設(shè)計調(diào)試過程。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)計周期中較早的開始調(diào)試有可能將使這一項目提早完成，該技術(shù)會降低首次將硬件和軟件連接在一起時出現(xiàn)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，將使你不會花太多的時間在后期系統(tǒng)調(diào)試上。當(dāng)你確實拿到物理原型開始在上面跑軟件的時候，你會發(fā)現(xiàn)經(jīng)過測試的軟件部分將會正常工作，這會節(jié)省項目后期的大量時間及努力。
軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)由一個硬件執(zhí)行環(huán)境和一個軟件執(zhí)行環(huán)境組成，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯和控制界面，軟件通過一系列由處理器啟動的總線周期與硬件的交互作用。本文以一個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51單片機仿真引擎GoldBull ISS51（以下簡稱ISS51），ISS51是51單片機開發(fā)環(huán)境Keil uVision2的一個插件，ISS51具有連接Keil和硬件仿真環(huán)境Modelsim的接口，可以實現(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、單步執(zhí)行、內(nèi)存和寄存器數(shù)據(jù)返回給Keil、CPU總線時序產(chǎn)生和捕獲、內(nèi)部功能模塊（如定時器，串口）的運行等功能。
Mini Web卡介紹
Mini Web卡是一個運行在單片機上的Web服務(wù)器，提供網(wǎng)口連接，有大容量文件系統(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RS232串口，直接將目標(biāo)碼下載到CPU。
DMA控制邏輯是一個可編程邏輯器件，采用的是ALTERA的CPLD EPM240，主要功能是實現(xiàn)外圍器件之間的DMA傳遞。因為51CPU進(jìn)行IO訪問是很低效的，需要24個時鐘周期才能進(jìn)行一次IO訪問，在外圍設(shè)備之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)則需要更多的時鐘周期，使用DMA控制邏輯可以達(dá)到3個時鐘周期就能轉(zhuǎn)移一個字節(jié)。本系統(tǒng)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(tǒng)訪問，采用DMA可以極大地提高51單片機的數(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(dǎo)致的報文丟棄和重發(fā)。
SMART MEDIA是一個移動存儲卡，主要用于存儲文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡。
文件系統(tǒng)是Mini Web卡的新開發(fā)模塊，文件系統(tǒng)的測試主要通過TFTP來進(jìn)行，為此Mini Web卡上的TFTP服務(wù)程序進(jìn)行了特殊設(shè)計，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)險較大。軟件對硬件的依賴較強，F(xiàn)LASH存儲器的訪問驅(qū)動、網(wǎng)卡驅(qū)動、DMA驅(qū)動，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，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，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)的問題時，這一個功能很有用。
采用軟硬件聯(lián)合仿真，便于系統(tǒng)前期設(shè)計。51單片機的外部RAM訪問效率較低，內(nèi)存拷貝、外部器件之間的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)移很浪費時間。將大量數(shù)據(jù)的拷貝操作或數(shù)據(jù)塊校驗、比較操作在CPLD內(nèi)實現(xiàn)，可以大大改進(jìn)51單片機處理數(shù)據(jù)的能力。通過軟硬件聯(lián)合仿真，可以評估CPLD處理數(shù)據(jù)對性能的改進(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題是系統(tǒng)功能設(shè)計與驗證
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