基于8051內(nèi)核SoC的模擬驗證與仿真

1 概 述

　　隨著集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展和EDA設(shè)計水平的迅速提高，基于知識產(chǎn)權(quán)IP（Intellectual Property）核進行系統(tǒng)芯片SOC(System on Chip)設(shè)計的能力和技術(shù)得到了大大提高。利用該技術(shù)，可以將整個系統(tǒng)包括微處理器、ASIC、內(nèi)存和外設(shè)等集成到一個芯片中。在進行SoC 芯片設(shè)計過程中，由于8051系列單片機的廣泛使用和成熟的技術(shù)，許多SoC芯片的設(shè)計者在選用8位處理器做內(nèi)核時常采用8051。SoC芯片的設(shè)計是十分復(fù)雜的，不僅要考慮芯片IP核的系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件協(xié)同設(shè)計、不同工藝的綜合等問題，還要考慮在設(shè)計過程中，如何實現(xiàn)對芯片的模擬驗證以及設(shè)計成功后針對該芯片仿真裝置的實現(xiàn)，從而促進所設(shè)計系統(tǒng)芯片的迅速推廣。

2 SoC芯片的設(shè)計技術(shù)

2.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計流程

　　SoC芯片是一種以可重用IP核為基礎(chǔ)，以軟硬件協(xié)同設(shè)計為主要設(shè)計方法的芯片設(shè)計技術(shù)[1]。參考文獻[2]提出的SoC設(shè)計流程如圖1所示。
　　　　　　　　　　　

　　系統(tǒng)芯片經(jīng)軟硬件劃分后，設(shè)計基本分為兩部分：芯片硬件設(shè)計和軟件協(xié)同設(shè)計。芯片硬件設(shè)計包括硬件描述、時序設(shè)計、驗證等；軟件協(xié)同設(shè)計要考慮指令集、指令編譯系統(tǒng)、開發(fā)集成環(huán)境、模擬仿真設(shè)備等。為達到盡快上市的目的，要求這兩方面并行展開，甚至要求在芯片上市之前，相應(yīng)的開發(fā)裝置和仿真環(huán)境就應(yīng)該建立起來。對于需要進行程序掩模的芯片，這種要求就更加迫切。

2.2 應(yīng)用于固網(wǎng)短消息電話的SoC設(shè)計

　　該芯片是根據(jù)中國電信對于固網(wǎng)短消息話機的要求而設(shè)計的系統(tǒng)芯片，可以廣泛應(yīng)用于來電顯示電話（CID：Calling Identify Delivery）和固網(wǎng)短消息電話等。

　　該系統(tǒng)芯片將CPU和多個模擬功能模塊（CID部分）集成到一個芯片內(nèi)，采用8051為CPU核，指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容；CID部分由FSK調(diào)制解調(diào)器、DTMF（雙音多頻）撥號、CAS（CPE Alerting Signal）信號檢測、振鈴檢測等IP核組成。這是一個數(shù)?；旌喜⒕邆渫暾娫捁δ艿南到y(tǒng)芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　　　　

　　設(shè)計中，8051核與各功能IP核通過寄存器和數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

　　8051內(nèi)部有256字節(jié) RAM，其中后128字節(jié)為特殊功能寄存器。我們在該芯片設(shè)計中將CID部分電路所用寄存器（共12個）定義在該區(qū)間內(nèi)。

　　該芯片工作流程如下：振鈴檢測模塊在檢測到振鈴信號后，置位RING_F寄存器中相應(yīng)位，產(chǎn)生中斷或經(jīng)CPU輪循檢測；軟件響應(yīng)該信號后置位FSK_F中FSK使能寄存器，F(xiàn)SK解調(diào)器工作，F(xiàn)SK在接收到數(shù)據(jù)后，置位FSK_F中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器，產(chǎn)生中斷或CPU輪循檢測，軟件通過數(shù)據(jù)總線讀出該數(shù)據(jù)；CAS模塊根據(jù)CAS_F中CAS捕獲時間寄存器檢測，收到CAS信號后，置位CAS_F中相應(yīng)寄存器，產(chǎn)生中斷；DTMF信號產(chǎn)生模塊根據(jù)DTMF_F寄存器內(nèi)容發(fā)出DTMF信號。

3 系統(tǒng)芯片驗證和仿真器設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)芯片的驗證問題

　　系統(tǒng)芯片在硬件設(shè)計和軟件設(shè)計結(jié)束后，按流程要求進行系統(tǒng)驗證，這就需要構(gòu)建一個驗證平臺。對于數(shù)字電路來說，采用FPGA基本可以實現(xiàn)對芯片設(shè)計的完全驗證；而對于數(shù)模混合電路系統(tǒng)芯片來說，驗證則十分復(fù)雜。在本設(shè)計中，由于各外圍模擬IP核在市場上均有相應(yīng)模塊，因此，可以考慮將FPGA和這些模擬芯片有機地組合起來，實現(xiàn)對該系統(tǒng)芯片的驗證。

3.2 仿真器的設(shè)計目標(biāo)

　　一個8051仿真器系統(tǒng)包括仿真器、編譯器、集成開發(fā)和調(diào)試仿真環(huán)境等。在進行基于8051核設(shè)計SoC芯片時，為達到加快研發(fā)速度、縮短上市時間、減少開發(fā)費用等目的，考慮采用市場上成熟的并為眾多用戶所使用的集成開發(fā)環(huán)境和開發(fā)裝置，如KEIL等。

3.3 芯片驗證和仿真器設(shè)計方案

　　在前面描述中可以看到，在該芯片設(shè)計中由于采用標(biāo)準(zhǔn)的8051核，其指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)基本沒有改變，但其中一些特殊寄存器與外圍模塊之間建立了映射關(guān)系，中斷源也得到了擴充。因此，驗證和仿真器的設(shè)計關(guān)鍵在于能否正確反映這些寄存器的狀態(tài)或通過寄存器控制這 些外圍模塊的工作。

在系統(tǒng)芯片設(shè)計流程中，仿真器的設(shè)計與芯片設(shè)計同步甚至要提前，因此沒有現(xiàn)成的CPU芯片作仿真器核心；而簡單地將CPU與FSK、DTMF、CAS等功能芯片組合起來替代該CPU芯片，不能實現(xiàn)完全仿真和模擬，特別是無法獲得外圍模擬模塊的狀態(tài)。

　　在這里，我們采用FPGA和FSK、DTMF、CAS等功能芯片組合成模擬CPU來替代所設(shè)計的系統(tǒng)芯片，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參照圖3。圖3中，8051核及數(shù)字接口部分由FPGA實現(xiàn)；CID部分中，F(xiàn)SK、DTMF、CAS、振鈴檢測等模塊則由相應(yīng)硬件模塊實現(xiàn)。
　　　　　　

　　FSK、DTMF、CAS、振鈴檢測等模塊通過接口與FPGA中8051相應(yīng)寄存器對應(yīng)，這樣在這些外圍模塊動作的同時，在8051寄存器中都能正確映射；反之，F(xiàn)PGA中相應(yīng)寄存器的改變，也會引起這些外圍模塊的動作。

　　圖3是建立在通用8051仿真器上的短消息系統(tǒng)芯片仿真方案。模擬CPU模塊集成了FPGA和CID部分芯片和電路，該模塊采用與8051定義一致的引腳與仿真板相連。對于仿真板來說，該模塊的命令和操作　　

◇完全兼容

現(xiàn)有集成開發(fā)和仿真環(huán)境；
　　◇簡化了數(shù)?；旌显O(shè)計的驗證問題；
　　◇經(jīng)過改進，可以利用通用仿真器仿真和調(diào)試硬件、軟件；
　　◇由于FPGA可以隨著芯片的改進而重新編程，因此增大了設(shè)計和驗證的靈活性；
　　◇縮短了開發(fā)時間，加快芯片上市時間。

4 結(jié) 論

　　利用該方案構(gòu)成的系統(tǒng)芯片驗證和仿真方案已經(jīng)在我們的設(shè)計中得到了應(yīng)用。事實上，利用該方案的思想不僅可以實現(xiàn)基于8051核系統(tǒng)芯片的驗證和仿真，其它系統(tǒng)芯片的驗證和仿真也是可以借鑒的。


參考文獻
1 李志堅，周潤德. VLSI器件電路與系統(tǒng). 北京：科學(xué)出版社，2000
2 Cadence. CC2.1 Production Documentation與標(biāo)準(zhǔn)8051是一致的，因此通用的仿真和集成環(huán)境