摘  要： 提出了一種基于MCU" title="MCU">MCU內部Flash" title="Flash">Flash的仿真器" title="仿真器">仿真器設計方法,并完成了設計和仿真。

　　關鍵詞： 微控制器  在線仿真  開發系統  Flash SRAM

　　由于市場對MCU功能的要求總是不斷變化和升級,MCU應用的領域也不斷擴展,因此往往需要對最初的設計進行修改。Flash MCU與以往OTP/MASK MCU相比,最大的優點就在于可以進行高達上萬次的擦寫操作,順應了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。因此,許多OEM已將Flash MCU用于產品的批量生產。對于Flash MCU,基于內部Flash的在線仿真器更接近于程序真實的運行特性,程序調試的效果更好,效率更高。實際上,Flash MCU工作時Flash的延時、讀寫時序等特性是非常關鍵的,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內嵌的其他類型存儲器如SRAM、ROM等區分開來也是十分重要的。如果在程序的調試階段就可以反映出這些特性,有助于實現程序從仿真器到商用MCU芯片的無縫轉移。

1 關于Flash MCU

　　Flash MCU的構成如圖1所示,主要由CPU核、Flash IP及其控制模塊、SRAM IP及其控制模塊、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存儲器幾乎擁有現今追求個性化的用戶所需要的所有優點：掉電數據不丟失、快速的數據存取時間、電可擦除、容量大、在線(系統)可編程、價格低廉以及足夠多的擦寫次數和高可靠性等,已成為新一代嵌入式應用的首選存儲器。與Flash MCU相比,MASK(掩膜)MCU盡管在大批量生產時仍具備一定價格優勢,但其升級不便的缺點,隨著今后Flash成本的進一步降低和MCU功能需求的逐漸增多,將表現得更為顯著。

2 基于外部SRAM的MCU在線仿真器

　　MCU仿真器的一種常見做法是,將用戶的待調試程序(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的外部構造仿真監控硬件(以下簡稱外部仿真邏輯),通過監視和控制仿真接口信號即bond-out的信號,來獲取MCU的狀態,干預MCU的運行,實現仿真功能。所謂bond-out MCU,是指將MCU內部的某些信號連接到封裝的管腳上,使得外部仿真邏輯可以監視和控制MCU內部的狀態。這種非商用芯片專用于構成在線仿真器,當用戶程序在仿真器中調試完成后,編程到商用MCU芯片中,應用到用戶系統。在商用MCU中,這些仿真接口信號不會出現在芯片封裝的管腳上。

　　在Flash MCU沒有被廣泛應用之前,仿真器設計公司通常將用戶程序和監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,對用戶程序的調試效果影響不大。但是對于Flash MCU而言,則存在一定的問題。畢竟SRAM和Flash在工藝和讀寫時序上相去甚遠,CPU運行存儲在SRAM和Flash中的程序,情況是完全不同的。有可能出現程序存儲在仿真器的外部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仿真器的設計方法,幾乎不增加MCU的仿真接口信號和芯片設計的復雜程度,就可以接近程序在商用MCU中的運行情況,實現用戶程序從仿真器到商用MCU的良好轉移。

3 基于MCU內部Flash的在線仿真器的一種設計方法

　　圖2是Flash MCU仿真器系統構成示意圖,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CPU的地址、數據、讀/寫和取指等信號,以及少數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控MCU的內部狀態。

3.1 仿真器的工作原理

　　仿真器復位后,CPU開始運行存儲在MCU內部Flash(以下簡稱內部Flash)中的用戶程序,外部仿真邏輯實時監測仿真接口信號,取得當前CPU運行指令的地址,判斷是否斷點。一旦遇到斷點,外部仿真邏輯停止用戶程序的運行,切換程序運行的地址空間,開始運行存儲在外部SRAM中的監控程序。監控程序取得MCU的當前狀態,并根據軟件的調試要求,改變MCU內部的一個或多個寄存器的值,控制MCU的下一步運行。當監控程序完成使命,需要將程序的運行空間切換回用戶程序空間,CPU取指從外部回到內部,繼續運行用戶程序。在用戶程序運行過程中,軟件通過并口發送的調試指令可以控制外部仿真邏輯,隨時打斷程序運行,或者單步調試,工作的過程與斷點相似。斷點、單步及軟件中斷在下文中統稱為程序中斷事件。

　　仿真器工作時,CPU的取指空間需要在內外存儲器之間反復切換。CPU地址空間劃分示意圖如圖3所示。總體上,仿真器的工作受圖4所示的狀態機控制。該狀態機共有四個狀態：

　　·用戶程序運行態(簡稱用戶態)

　　仿真器復位后,處在運行用戶程序的狀態。在該狀態下,CPU運行存儲在內部Flash中的用戶程序;外部仿真邏輯實時監測仿真接口,等待程序中斷事件的發生,進入下一狀態——跳轉態。

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

　　外部SRAM用來存儲監控程序和臨時數據。

　　· 跳轉態

　　一旦程序中斷事件發生,需要切換CPU的取指空間,跳轉到監控程序窗口。

　　由于在程序中何處中斷是不可預知的,因此不可能在用戶程序中預先安插好用于空間切換的跳轉指令。所以需要一個專門的狀態來插入跳轉指令碼和跳轉的目的地址,即監控程序的入口地址,強制CPU運行監控程序。監控程序窗口是劃分CPU地址空間時,為仿真功能預留的地址空間,空間大小視所需的監控程序的大小而定,監控程序的大小在一定程度上取決于仿真功能的強弱。

　　CPU從仿真接口讀跳轉指令碼和跳轉地址。MCU外部仿真邏輯同時使能程序空間切換信號,屏蔽MCU的所有外部中斷,停止MCU中CPU外圍模塊的時鐘,也就相當于屏蔽了MCU的所有內部中斷。當程序空間的切換完成后,仿真器進入監控態,運行存儲在外部SRAM中的監控程序。

　　·監控態

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

監控程序的任務是獲取MCU當前的狀態,接受軟件的調試命令,控制MCU的下一步運行。監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,實現監視功能。也可以有比較完備的功能,例如接收用戶的調試指令,修改其中一些寄存器的值,使得MCU再次運行時,按照用戶的調試要求往下運行。這需要在MCU設計時,保證在CPU外圍模塊的時鐘停止時,也可以讀寫外部硬件寄存器。至于CPU的5個特殊寄存器：PC、ACC、IDX、CCR和SP,可以通過進入監控程序執行特定的程序段得到。如MOTOROLA的HC6808就可以通過在監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的值存入存儲器,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的值存入存儲器,地址為＄005D

　　當不再繼續調試,給出開始運行的命令,監控程序結束對運行命令的等待,并且將CPU特殊寄存器的值恢復。繼續運行監控程序,直到最后一條指令即跳轉指令進入返回態。

　　· 返回態

　　CPU執行監控程序的最后一條指令——跳轉指令。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(進入監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CPU外圍模塊的工作時鐘,監控程序完成使命,回到用戶態,繼續運行內部Flash中的用戶程序。

3.2 內部仿真邏輯

　　為了構造合適的MCU仿真接口,必須在MCU設計時,在MCU內部增加一個仿真接口模塊,稱為內部仿真接口模塊。負責對仿真接口所需的CPU端口信號進行處理(如出于減少bond-out信號線的考慮,將地址和數據總線復用),并產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空間切換使能信號等。

3.3 外部仿真邏輯

　　外部仿真邏輯如圖2左部所示,負責接收計算機通過并口發送的仿真命令,監視MCU的仿真接口,控制仿真器的工作狀態。外部仿真邏輯由外部仿真接口模塊、斷點判斷模塊、軌跡紀錄模塊、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機所在的核心模塊。功能包括：接收來自MCU的地址、數據、讀/寫、取指、地址鎖存等信號;根據并口接口模塊給出的來自軟件的仿真命令,給出仿真控制信號;在程序空間切換時插入跳轉指令和地址;將來自MCU的地址和取指信號送給斷點判斷模塊,并接收來自斷點判斷模塊的斷點標志信號;產生送給MCU的程序空間切換使能信號;運行監控程序時,給出讀寫外部SRAM所需信號,并接收讀出的數據,將其送給MCU。

　　·斷點判斷模塊

　　根據外部仿真接口模塊送來的CPU地址,讀取斷點標志存儲器中的相應值。如果讀出的標志為有效值,表示當前地址為斷點地址。接收來自并口接口模塊的設置和清除斷點命令,將斷點存儲器的相應位置1或置0。允許設置任意數目的硬件斷點。

　　·軌跡紀錄模塊

　　將外部仿真接口模塊送來的CPU取指地址,存儲在軌跡紀錄的存儲器中。軌跡紀錄的存儲器采用FIFO的方式,所能紀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

　　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在監控態從外部SRAM中讀取程序指令,存儲臨時數據等。

　　對于Flash MCU而言,這種將用戶的待調試程序存儲在MCU內部的Flash中,將監控程序存儲在MCU外部的SRAM中,并在MCU外部構造仿真邏輯,通過對采用bond-out技術的MCU的bond-out管腳進行監控,來實現在線仿真的做法,在芯片設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。相對于完全的在芯片仿真(on-chip debugger),該方法簡單,MCU的設計周期短;而相對于用硬件平臺如FPGA仿真,則價格低廉許多,是一種權衡折衷的方法。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計,用Synopsys DC綜合,用Quartus布線到Altera APEX 20K200 FPGA中,用ModelSim5.4進行了后仿真,完成了仿真驗證。結果證明這樣的做法是可行的。

參考文獻

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4 MOTOROLA HC6808 MCU指令集

5 Flash存儲器會從MCU周圍消失嗎?國際電子商情，2000

6 王 歡.8位MCU好戲連臺,Flash MCU脫穎而出.國際電子商情，2000