单片机软硬件联合仿真解决方案

BeardRen

　本文介绍一种<span]　本文介绍一种<span]    BFM，TCL，Verilog，Vhdl，PLI，MODELsim，Keil uVision2，ISS，TFTP，HTTP，虚拟网卡，Sniffer，SMART MEDIA，DMA，MAC，SRAM，cpld

缩略词解释：

<span]缩略词解释：

<span]BFM：总线功能模块。在HDL硬件语言仿真中，BFM完成抽象描述数据和具体的时序信号之间的转换。

PLI：Verilog编程语言<span]PLI：Verilog编程语言<span]TCL：字面意思是工具命令语言，是一种解释执行语言，流行EDA软件一般都集成有TCL。使用TCL用户可以编写控制EDA工具的脚本程序，实现工具操作自动化。

ISS：CPU指令集仿真器，可以执行CPU的<span]ISS：CPU指令集仿真器，可以执行CPU的<span]TFTP：简单文件传输协议，Windows的tftp.exe既是该协议的客户端实现。

SMART]SMART]DMA：直接内存访问。用于外部设备之间高速数据转移。

MAC：媒体接入控制器。本文中是指网卡<span]MAC：媒体接入控制器。本文中是指网卡<span]前言

传统的<span]传统的<span]软硬件联合仿真有可能使软件设计工程师在设计早期着手调试，而采用传统的方法，设计工程师直到硬件设计完成才能进行除错处理。有些软件可在没有硬件支持的情况下完成任务的编码，如不涉及到硬件的算法。与硬件相互作用的编码在获得硬件之前编写，但只有在硬件上运行后，才能真正对编码进行调试。通过采用软硬件联合仿真技术，可在设计早期开始这一设计调试过程。由于软件的开发通常在系统开发的后段完成，在设计周期中较早的开始调试有可能将使这一项目提早完成，该技术会降低首次将硬件和软件连接在一起时出现意外而致使项目延期完成所造成的风险。

在取得物理原型前，采用软硬件联合仿真技术对硬件和软件之间的接口进行验证，将使你不会花太多的时间在后期系统调试上。当你确实拿到物理原型开始在上面跑软件的时候，你会发现经过<span]在取得物理原型前，采用软硬件联合仿真技术对硬件和软件之间的接口进行验证，将使你不会花太多的时间在后期系统调试上。当你确实拿到物理原型开始在上面跑软件的时候，你会发现经过<span]软硬件联合仿真系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成，通常软件环境和硬件环境都有自己的除错和控制界面，软件通过一系列由处理器启动的总线周期与硬件的交互作用。本文以一个Mini Web卡的开发介绍一种软硬件联合仿真系统。

该方案的核心是采用一个51<span]该方案的核心是采用一个51<span]Mini Web卡介绍

Mini]Mini]    51CPU采用SST89系列，这种CPU具有ISP功能，可以通过RS232串口，直接将目标码下载到CPU。

DMA控制逻辑是一个<span]DMA控制逻辑是一个<span]网卡芯片采用的是AX88796，主要的优点是可以和51CPU方便地接口；支持100M以太网，速度高；有较大的接收报文缓存，能够平滑网络流量，减少因51CPU处理速度慢导致的报文丢弃和重发。

SMART]SMART]文件系统是Mini Web卡的新开发模块，文件系统的测试主要通过TFTP来进行，为此Mini Web卡上的TFTP服务程序进行了特殊设计，支持格式化SMART MEDIA，获取剩余空间，获取文件名列表，上传、下载和删除文件。

软硬件联合仿真的必要性：

<span]软硬件联合仿真的必要性：

<span]Mini Web卡软件模块多，软件开发风险较大。软件对硬件的依赖较强，FLASH存储器的访问驱动、网卡驱动、DMA驱动，需要软硬件协同调试。

文件系统的开发，在仿真环境下更容易和快捷。比如在仿真结束时，可以将SMART]文件系统的开发，在仿真环境下更容易和快捷。比如在仿真结束时，可以将SMART]采用软硬件联合仿真，便于系统前期设计。51单片机的外部RAM访问效率较低，内存拷贝、外部器件之间的数据块转移很浪费时间。将大量数据的拷贝操作或数据块校验、比较操作在CPLD内实现，可以大大改进51单片机处理数据的能力。通过软硬件联合仿真，可以评估CPLD处理数据对性能的改进。

Mini]Mini]软硬件联合仿真主要解决的问题是系统功能设计与验证，它不解决电源、滤波电容、总线电平兼容问题。

做系统仿真，首先要对硬件系统建模。我们关注的是系统设计的正确性和可执行性。

<span]做系统仿真，首先要对硬件系统建模。我们关注的是系统设计的正确性和可执行性。

<span]系统中的串口只是用来支持ISP下载软件，软件部分没有对串口做任何操作，所以系统仿真可以不必考虑。

网卡芯片AX88796，厂商没有提供仿真模型。它与CPU的接口符合ISA接口标准，软件对AX88796的操作是根据NE2000标准网卡芯片设计的，由此我们建立了一个网卡芯片的仿真模型。我们设计了一个MAC]网卡芯片AX88796，厂商没有提供仿真模型。它与CPU的接口符合ISA接口标准，软件对AX88796的操作是根据NE2000标准网卡芯片设计的，由此我们建立了一个网卡芯片的仿真模型。我们设计了一个MAC]SRAM仿真模型是很容易获取的，很多器件生产商都提供Verilog仿真模型，但器件生产商提供的Verilog仿真模型都包含复杂的延时控制代码，这会影响仿真速度。根据经验，我们可以确保SRAM在单板设计中被正确应用，不会产生时序问题，所以我们可以采用一个简化的SRAM仿真模型，这是我们自己设计的，有效代码只有十几行。

51CPU]51CPU]SMART MEDIA是三星公司提供的仿真模型，我们使用的也是三星公司的同类型存储卡。该模型可以用于验证软件操作SMART MEDIA的正确性和DMA Controller的接口时序。

DMA]DMA]将上述硬件模型连接起来，产生下图所示硬件系统模型图：

图2.]图2.]图2中U11为SMART MEDIA仿真模型，U4为DMA Controller模型。

虚拟网卡

<span]虚拟网卡

<span]做系统仿真，必须输入来自真实世界的激励，并将仿真系统的输出传递到真实世界。即便是不能连接到真实世界，也应该提供模拟真实世界的输入，并对仿真系统的输出进行检测和分析。

对于Mini]对于Mini]对于运行在Windows系统上的应用程序来说，它并不知道网卡是虚拟的还是真实的，应用程序通过虚拟网卡收发数据，事实上是与仿真系统在进行网络通信。

这样就可以使用TFTP向Mini]这样就可以使用TFTP向Mini]使用网络臭探器Sniffer可以监控虚拟网卡的报文流，方便协议调试。

仿真加速技术

<span]仿真加速技术

<span]软硬件联合仿真，影响仿真速度的瓶颈在HDL代码部分的仿真。如果不设法提高HDL代码部分的仿真速度，软件调试就非常低效。

提高硬件仿真速度的方法之一是软件硬件仿真采用事件同步，只在CPU访问IO时保持软件和硬件是同步的。

<span]提高硬件仿真速度的方法之一是软件硬件仿真采用事件同步，只在CPU访问IO时保持软件和硬件是同步的。

<span]仿真加速方法之二是硬件仿真系统时钟休眠。对于Mini Web卡来说，只有DMA Controller是受时钟控制的，软件没有操作DMA Controller的期间，DMA Controller的运作是毫无意义的，所以可以在非DMA操作期间，对时钟进行休眠；ISS51在每次IO访问时，给出与上次IO访问的时间差，这个时间差经过处理可以作为时钟休眠的时间段。如果ISS51连续进行IO访问，就不会产生时钟休眠了。DMA Controller工作于查询方式，可以采用时钟休眠技术，而不会导致仿真与真实结果的不一致。

]]方法之四，在软件设计上，谨慎使用外部中断，因为一旦中断启动，ISS51需要在每个机器周期查询是否有中断信号，导致软件仿真和硬件仿真在每个指令上都进行同步，影响仿真速度。如果一定要使用外部中断，建议用C模型代替Verilog模型，这样可不影响仿真速度；或者由用户根据外部模块产生外部中断的时机，使用ISS51的控制命令，在恰当时刻使能ISS51的中断模块。

在一个普通PC]在一个普通PC]Reply from 10.10.112.76: bytes=32 time=64ms TTL=128

使用IE打开Mini]使用IE打开Mini]总结

使用软硬件联合仿真，Mini]使用软硬件联合仿真，Mini]

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软件对硬件的依赖较强，FLASH存储器的访问驱动、网卡驱动、DMA驱动，需要软硬件协同调试。