一種基于MCU內部Flash的在線仿真器設計方法

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SRA模塊的監控程序。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心。斷點、單步及軟件中斷在下文中斷稱為程序中斷事件。

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監時數據。

·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序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，命使得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有值存入存儲器，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的值存放存儲器，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行返回態。

·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的仿真接口，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文憑間切換使能信號等。

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：接收業自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的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。