一種基于MCU內(nèi)部Flash的仿真器設(shè)計(jì)方法

　　摘要：提出了一種基于MCU內(nèi)部Flash的仿真器設(shè)計(jì)方法，并完成了設(shè)計(jì)和仿真。

　　關(guān)鍵詞：微控制器 在線仿真 開發(fā)系統(tǒng) Flash SRAM

　　由于市場(chǎng)對(duì)MCU功能的要求總是不斷變化和升級(jí)，MCU應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展， 因此往往需要對(duì)最初的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。Flash MCU與以往OTP/MASK MCU相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就在于可進(jìn)行高達(dá)上萬次的擦寫操作，順應(yīng)了MCU功能不斷修改的需求;另一方面，F(xiàn)lash MCU市場(chǎng)價(jià)格也在不斷下降。因此，許多OEM已將Flash MCU用于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。對(duì)于Flash MCU,基于內(nèi)部Flash的在線仿真器更接近于程序真實(shí)的運(yùn)行特性，程序調(diào)試的效果更好，效率更高。實(shí)際上，F(xiàn)lash MCU工作時(shí)Flash的延時(shí)、讀寫時(shí)充等特性是非常，程序存儲(chǔ)在MCU外部仿真板上的SRAM中，由額外的硬件邏輯來模擬Flash的這些特性是費(fèi)時(shí)低 效的;同時(shí)將Flash和MCU內(nèi)嵌的其他類型存儲(chǔ)器如SRAM、ROM等區(qū)分開來也是十分重要的。如果在程序的調(diào)試階段就可以反映出這特性，有且于實(shí)現(xiàn) 程序從仿真器到商用MCU芯片的無縫轉(zhuǎn)移。

　　1 關(guān)于Flash MCU

　　Flash MCU的構(gòu)成如圖1所示，主要由CPU核、Flash IP及其控制模塊、SRAM IP及基控制模塊、WatchDog、PMU(Power Manage Unit，功耗管理單元)、I/O端口以及ISP在線編程接口等組成。不同功能的Flash MCU還包含一些各自獨(dú)特的應(yīng)用模塊單元，如用于尋呼的Flash MCU所包含的解碼模塊。對(duì)于用來構(gòu)成在線仿真器的Flash MCU還可能包括仿真接口單元。本文在討論Flash MCU的在線仿真時(shí)，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。

　　Flash存儲(chǔ)器幾乎擁有現(xiàn)今追求個(gè)性化的用戶所需要的所有優(yōu)點(diǎn)：掉電數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取時(shí)間、電可擦除、容量大、在線(系統(tǒng))可編程、價(jià)格低廉以及足夠多的擦寫次數(shù)的高可靠性等，已成為新一代嵌入式應(yīng)用的首選存儲(chǔ)器。與Flash MCU相比，MASK(掩膜)MCU盡管在大指生產(chǎn)時(shí)仍具備一定價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但其升級(jí)不便的缺點(diǎn)，隨著今后Flash成本的進(jìn)步降低和MCU功能需求的逐漸增多，將表現(xiàn)得更為顯著。

　　2 基于外部SRAM的MCU在線仿真器

　　MCU仿真器的一種常見做法是，將用戶的待調(diào)試程序(以下簡(jiǎn)稱用戶程序)存儲(chǔ)在 MCU外部仿真板的SRAM(以下簡(jiǎn)稱外部SRAM)中，在bond-out MCU的外部結(jié)構(gòu)仿真監(jiān)控硬件(以下簡(jiǎn)稱外部仿真邏輯)，通過監(jiān)視和控制仿真接口信號(hào)即bond-out的信號(hào)，來獲取MCU的狀態(tài)，是指將MCU內(nèi)部的 某種信號(hào)連接到封裝的管腳上，使得外部仿真邏輯可以監(jiān)視和控制MCU內(nèi)部的狀態(tài)。這種非商用芯片專用于構(gòu)成在線仿真器，當(dāng)用戶程序在仿真器中調(diào)試完成后， 編程到商用MCU芯片中，應(yīng)用到用戶系統(tǒng)。在商用MCU中，這些仿真接口信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)在芯片封裝的管腳上。

　　在Flash MCU沒有被廣泛應(yīng)用之前，仿真器設(shè)計(jì)公司通常將用戶程序和監(jiān)控程序都存儲(chǔ)在外部SRAM中，這種做法基本上可以反映SRAM MCU真實(shí)的運(yùn)行情況，對(duì)用戶程序的調(diào)度效果影響不大。但是對(duì)于Flash MCU而言，則存在一定的問題。畢競(jìng)SRAM和Flash在工藝和讀寫時(shí)序上相去甚遠(yuǎn)，CPU運(yùn)行存儲(chǔ)在SRAM和Flash中的程序，情況是完全不同 的。有可能出現(xiàn)程序存儲(chǔ)的仿真器的外部SRAM中運(yùn)行良好，但是編程到商用MCU中工作起來卻不正常。隨著Flash MCU在 MCU市場(chǎng)中的比重越來越大，這一問題顯得越來越突出，有必要加以重視。

　　本文介紹的Flash MCU仿真器的設(shè)計(jì)方法，幾乎不增加MCU的仿真接口信號(hào)和芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，就可以接近程序在商用MCU中的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)用戶程序從仿真器到商用MCU的良好轉(zhuǎn)移。

　　3 基于MCU內(nèi)部Flash的在線仿真器的一種設(shè)計(jì)方法

　　圖2是Flash MCU仿真器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，其中的虛線接口信號(hào)是MCU的仿真接口，通常包括仿真使能信號(hào)，bond-out MCU中的CPU的地址、數(shù)據(jù)、讀/寫和取指等信號(hào)，以及少數(shù)幾個(gè)用于仿真的控制信號(hào)。仿真接口是Flash MCU與外部仿真邏輯之間的橋梁，使得外部仿真邏輯能夠監(jiān)控MCU的內(nèi)部狀態(tài)。

　　3.1 仿真器的工作原理

　　仿真器復(fù)位后，CPU開始運(yùn)行存儲(chǔ)在MCU內(nèi)部Flash(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)部 Flash)中的用戶程序，外部仿真邏輯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真接口信號(hào)，取得當(dāng)前CPU運(yùn)行指令的地址，判斷是否斷點(diǎn)。一旦遇到斷點(diǎn)，外部仿真邏輯停止用戶程序的 運(yùn)行，切換程序運(yùn)行的地址空間，開始運(yùn)行存儲(chǔ)在外部SRA模塊的監(jiān)控程序。監(jiān)控程序取得MCU的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)軟件的調(diào)試要求，改變MCU內(nèi)部的一個(gè)或 多個(gè)寄存器的值，控制MCU的下一步運(yùn)行。當(dāng)監(jiān)控程序完成使命，需要將程序的運(yùn)行空間切換回用戶程序空間，CPU取指從外部回到內(nèi)部，繼續(xù)運(yùn)行用戶程序。 在用戶程序運(yùn)行過程中，軟件通過并口發(fā)送的調(diào)試指令可以控制外部仿真邏輯，隨時(shí)打斷程序運(yùn)行，或者單步調(diào)試，工作的過程與斷點(diǎn)相心。斷點(diǎn)、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(shí)，CPU的取指空間需要在內(nèi)外存儲(chǔ)器之間反復(fù)切換。CPU地址空間劃分示意圖如圖3所示?？傮w上，仿真器的工作受圖4所示的狀態(tài)機(jī)控制。該狀態(tài)機(jī)共有四個(gè)狀態(tài)：

　　·用戶程序運(yùn)行態(tài)(簡(jiǎn)稱用戶態(tài))

　　仿真器復(fù)位后，處在運(yùn)行用戶程序的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，CPU運(yùn)行存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash中的用戶程序;外部仿真邏輯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真接口，等待程序中斷事件的發(fā)生，進(jìn)入下一狀態(tài)-跳轉(zhuǎn)態(tài)。