基于MCU内部Flash的在线仿真器设计方案

摘要：提出了一种基于MCU内部Flash的仿真器设计方法，并完成了设计和仿真。

由于市场对MCU功能的要求总是不断变化和升级，MCU应用的领域也不断扩展，因此往往需要对最初的设计进行修改。Flash MCU与以往OTP/MASK MCU相比，最大的优点就在于可进行高达上万次的擦写操作，顺应了MCU功能不断修改的需求；另一方面，Flash MCU市场价格也在不断下降。实际上，Flash MCU工作时Flash的延时、读写时充等特性是非常，程序存储在MCU外部仿真板上的SRAM中，由额外的硬件逻辑来模拟Flash的这些特性是费时低效的；同时将Flash和MCU内嵌的其他类型存储器如SRAM、ROM等区分开来也是十分重要的。如果在程序的调试阶段就可以反映出这特性，有且于实现程序从仿真器到商用MCU芯片的无缝转移。

1 关于Flash MCU

Flash MCU的构成如图1所示，主要由CPU核、Flash IP及其控制模块、SRAM IP及基控制模块、WatchDog、PMU（Power Manage Unit，功耗管理单元）、I/O端口以及ISP在线编程接口等组成。不同功能的Flash MCU还包含一些各自独特的应用模块单元，如用于寻呼的Flash MCU所包含的解码模块。对于用来构成在线仿真器的Flash MCU还可能包括仿真接口单元。本文在讨论Flash MCU的在线仿真时，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。

Flash存储器几乎拥有现今追求个性化的用户所需要的所有优点：掉电数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线（系统）可编程、价格低廉以及足够多的擦写次数的高可靠性等，已成为新一代嵌入式应用的首选存储器。与Flash MCU相比，MASK（掩膜）MCU尽管在大指生产时仍具备一定价格优势，但其升级不便的缺点，随着今后Flash成本的进步降低和MCU功能需求的逐渐增多，将表现得更为显着。

2 基于外部SRAM的MCU在线仿真器

SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而DRAM（Dynamic Random Access Memory）每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。所以在主板上SRAM存储器要占用一部分面积。

一种是置于CPU与主存间的高速缓存，它有两种规格：一种是固定在主板上的高速缓存（Cache Memory ）；另一种是插在卡槽上的COAST（Cache ON A Stick）扩充用的高速缓存，另外在CMOS芯片1468l8的电路里，它的内部也有较小容量的128字节SRAM，存储我们所设置的配置数据。还有为了加速CPU内部数据的传送，自80486CPU起，在CPU的内部也设计有高速缓存，故在Pentium CPU就有所谓的L1 Cache（一级高速缓存）和L2Cache（二级高速缓存）的名词，一般L1 Cache是内建在CPU的内部，L2 Cache是设计在CPU的外部，但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同时设计在CPU的内部，故Pentium Pro的体积较大。Pentium II又把L2 Cache移至CPU内核之外的黑盒子里。

MCU仿真器的一种常见做法是，将用户的待调试程序（以下简称用户程序）存储在MCU外部仿真板的SRAM（以下简称外部SRAM）中，在bond-out MCU的外部结构仿真监控硬件（以下简称外部仿真逻辑），当用户程序在仿真器中调试完成后，编程到商用MCU芯片中，应用到用户系统。在商用MCU中，这些仿真接口信号不会出现在芯片封装的管脚上。

在Flash MCU没有被广泛应用之前，仿真器设计公司通常将用户程序和监控程序都存储在外部SRAM中，这种做法基本上可以反映SRAM MCU真实的运行情况，对用户程序的调度效果影响不大。但是对于Flash MCU而言，则存在一定的问题。毕竞SRAM和Flash在工艺和读写时序上相去甚远，CPU运行存储在SRAM和Flash中的程序，情况是完全不同的。有可能出现程序存储的仿真器的外部SRAM中运行良好，但是编程到商用MCU中工作起来却不正常。随着Flash MCU在 MCU市场中的比重越来越大，这一问题显得越来越突出，有必要加以重视。

本文介绍的Flash MCU仿真器的设计方法，几乎不增加MCU的仿真接口信号和芯片设计的复杂程度，就可以接近程序在商用MCU中的运行情况，实现用户程序从仿真器到商用MCU的良好转移。

3 基于MCU内部Flash的在线仿真器的一种设计方法

图2是Flash MCU仿真器系统构成示意图，其中的虚线接口信号是MCU的仿真接口，通常包括仿真使能信号，bond-out MCU中的CPU的地址、数据、读/写和取指等信号，以及少数几个用于仿真的控制信号。仿真接口是Flash MCU与外部仿真逻辑之间的桥梁，使得外部仿真逻辑能够监控MCU的内部状态。

3.1 仿真器的工作原理

仿真器内部的P口