单片机软硬件联合仿真解决方案便于系统调整

前言

传统的嵌入式系统中，设计周期、硬件和软件的开发是分开进行的，并在硬件完成后才将系统集成在一起，很多情况下，硬件完成后才开始进行实时软件和整体调试。软硬件联合仿真是一种在物理原型可用前，能尽早开始调试程序的技术。

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，你会发现经过测试的软件部分将会正常工作，这会节省项目后期的大量时间及努力。

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单片机仿真引擎GoldBull ISS51(以下简称ISS51)，ISS51是51单片机开发环境Keil uVision2的一个插件，ISS51具有连接Keil和硬件仿真环境Modelsim的接口，可以实现软硬件同步仿真。在该系统中，Keil作为软件调试界面，Modelsim作为硬件仿真和调试界面，ISS51负责软件执行、监控软件断点、单步执行、内存和寄存器数据返回给Keil、CPU总线时序产生和捕获、内部功能模块(如定时器，串口)的运行等功能。

软硬件联合仿真的必要性

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。

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 MEDIA仿真模型中的数据倒换到磁盘文件中，在仿真开始时，将磁盘文件中的数据加载到SMART MEDIA仿真模型中，在定位文件系统的问题时，这一个功能很有用。

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 Web卡软硬件联合仿真系统

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。

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 BFM来仿真网卡芯片的ISA接口，NE2000定义的寄存器在C模型中实现，MAC BFM与NE2000寄存器C模型通过PLI接*换数据。

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 BFM 负责单片机管脚时序的产生和捕获。51CPU BFM是与ISS51紧密捆绑的，由ISS51安装程序提供。

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 Controller是Mini Web卡硬件开发的一部分，将逻辑设计代码应用于仿真，既能检测逻辑设计的正确性，又能使整个仿真系统得以正常运转。

将上述硬件模型连接起来，产生下图所示硬件系统模型图：

虚拟网卡

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