專用SoC仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

李長(zhǎng)波

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

在企業(yè)的研發(fā)中，經(jīng)常遇到硬件軟件化和軟件硬件化的問(wèn)題。本文論述的是一個(gè)硬件軟件化的問(wèn)題，用軟件仿真硬件，使用戶在軟件仿真的環(huán)境中完成需要硬件才可以完成的工作。對(duì)于各種專用SoC，硬件軟件化的平臺(tái)搭建有較高的技術(shù)含量。

1 專用SoC的硬件構(gòu)成

圖1為SoC芯片的構(gòu)成框圖［1］，由圖1可以看出，該芯片有十大模塊構(gòu)成，分別是主控MCU、電源、觸摸屏、雙時(shí)鐘、UART、SPI、LCD 控制器、FLASH 驅(qū)動(dòng)、I/O口和存儲(chǔ)器。專用SoC是針對(duì)某一類特定需求而設(shè)計(jì)。圖1所示的IC是為了詞典機(jī)設(shè)計(jì)的框架，每一個(gè)應(yīng)用模塊都有對(duì)應(yīng)的用途。主控SoC調(diào)度所有的模塊，而且其中還包含累加器、RAM、各種寄存器等資源。存儲(chǔ)器是線性存儲(chǔ)器，要求容量大，存放數(shù)量龐大的詞典數(shù)據(jù)。雙時(shí)鐘模塊要實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算和計(jì)時(shí)功能，開(kāi)機(jī)時(shí)高速運(yùn)算，關(guān)機(jī)時(shí)保留低速時(shí)鐘計(jì)時(shí);I/O口模塊可以外加各種DSP，如語(yǔ)音，也可以設(shè)計(jì)按鍵。FLASH驅(qū)動(dòng)用來(lái)存放可以被用戶修改的數(shù)據(jù)。LCD控制器外接COG類的LCD 作為顯示設(shè)備［2］。

圖1 SoC的基本構(gòu)成

2 SoC仿真系統(tǒng)的原理

2.1 主控SoC的仿真模型的建立［3］

SoC內(nèi)部有4個(gè)部分要建立模型:累加器、RAM、FLASH、各類寄存器。根據(jù)所仿真的SoC的類型，抽象出它的數(shù)據(jù)模型，如SoC的位數(shù)等。圖2是SoC的基本框圖，從圖2中可以看出，要建立的仿真模型有累加器ACC、寄存器、RAM。寄存器包括SoC各種功能寄存器，如狀態(tài)寄存器、堆棧寄存器、通用寄存器、特殊寄存器等，并且要清楚每個(gè)寄存器每個(gè)位的功能。RAM也包含較多的內(nèi)涵，如全局變量、局部變量、堆棧區(qū)以及特殊變量等的仿真，都需要嚴(yán)密的算法，來(lái)保證結(jié)果的正確。

圖2 處理單元的基本構(gòu)成

2.2 其它模塊仿真模型的建立［3］

其它模塊包括:觸摸屏、雙時(shí)鐘、UART、SPI、LCD控制器、FLASH驅(qū)動(dòng)、I/O口和存儲(chǔ)器模塊。對(duì)于每一個(gè)外設(shè)，系統(tǒng)都為它定義好數(shù)學(xué)模型的同時(shí)，開(kāi)一個(gè)或多個(gè)線程完成對(duì)其功能的仿真。圖3為觸摸屏的仿真流程圖，圖4為FLASH的仿真流程圖。從圖3中可以看出，觸摸屏要處理單擊、雙擊和拖動(dòng)三個(gè)事件;FLASH要處理扇區(qū)讀寫(xiě)問(wèn)題，而且在寫(xiě)的時(shí)候，要完成先擦出后寫(xiě)入的功能。其它模塊與此類似，不重復(fù)敘述。

圖3 觸摸屏仿真流程圖

圖4 FLASH讀寫(xiě)流程圖

2.3 指令仿真模型的建立［3］

指令仿真是系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部分，每一條指令按照它對(duì)應(yīng)的時(shí)序、操作的寄存器、影響的狀態(tài)位、影響的堆棧等都要準(zhǔn)確仿真(圖5)。而且對(duì)于指令仿真，不僅要建立單個(gè)指令的數(shù)據(jù)模型，還要建立整個(gè)數(shù)據(jù)指令集合的處理系統(tǒng)。

圖5 MCS－51的取指時(shí)序

時(shí)序?qū)蝹€(gè)指令非常關(guān)鍵，下面以總線數(shù)據(jù)寫(xiě)為例加以說(shuō)明。從圖5可以看出，每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)要非常準(zhǔn)確，系統(tǒng)在進(jìn)行指令仿真時(shí)，必須按時(shí)鐘準(zhǔn)確計(jì)算。所以，仿真只能是高速I(mǎi)C仿真低速I(mǎi)C。

圖6是SoC主控芯片左移指令的流程圖，從圖6中可以看出，指令操作就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作，所以，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義非常關(guān)鍵。當(dāng)前芯片的架構(gòu)主要是ARM和MIPS，而指令集基本使用RISC(Reduced Instruction Set Computing)指令集，所以仿真相對(duì)規(guī)范。

圖6 左移指令流程圖

把SoC主芯片的指令全部用程序解釋出來(lái)之后，這些子模塊需要進(jìn)行管理。本系統(tǒng)建立了一個(gè)指針隊(duì)列加以管理。每個(gè)元素的信息如圖7所示，其顯示了指令集的管理結(jié)構(gòu)。其中指令是一個(gè)指針，指向?qū)?yīng)的指令子模塊，優(yōu)先級(jí)依據(jù)RISC指令集提供信息確定，脈沖數(shù)是該指令占用多少個(gè)脈沖，時(shí)間是該指令執(zhí)行完所消耗的總時(shí)間。

圖7 指令集管理結(jié)構(gòu)

3 SoC仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用VC開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)完成，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，大量使用宏定義，有較好的可移植性。

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)劃分的模塊［4］如圖8所示，共分為5大模塊，分別是處理器模塊、存儲(chǔ)器模塊、指令模塊、外設(shè)模塊和人機(jī)接口模塊。處理器模塊完成處理器的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設(shè)置、程序運(yùn)行等功能;存儲(chǔ)器模塊完成處理器的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設(shè)置、讀寫(xiě)運(yùn)算等功能;指令模塊完成指令的仿真、指令集合的管理、指令的調(diào)用機(jī)制等功能;外設(shè)模塊完成外設(shè)的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設(shè)置、功能仿真等功能;人機(jī)接口模塊處理系統(tǒng)與用戶的接口。

圖8 總體模塊的劃分

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)把系統(tǒng)分成五部分大的模塊，這些模塊還要繼續(xù)分割成小的模塊。模塊越小，任務(wù)越清晰，這是軟件設(shè)計(jì)的基本步驟。這里只以處理器模塊來(lái)加以說(shuō)明，其它的模塊省略。從圖9中可以看出，處理器模塊又劃分出四個(gè)小模塊，分別是現(xiàn)場(chǎng)模塊、指令模塊、時(shí)序模塊和計(jì)算模塊?，F(xiàn)場(chǎng)模塊完成SoC主芯片的累加器、寄存器、RAM等功能;指令模塊完成指令的仿真設(shè)計(jì)和管理;時(shí)序模塊完成SoC晶振的仿真和計(jì)算功能;計(jì)算模塊完成上述三個(gè)模塊的集成及綜合處理的功能。這些小模塊還可以繼續(xù)劃分，直到分成可以直接寫(xiě)子函數(shù)為止，并且完成流程圖。

圖9 處理器模塊的劃分

3.3 代碼轉(zhuǎn)化

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的流程圖，程序員可以完成代碼的轉(zhuǎn)化。流程圖代碼化屬于正向工程范疇，先將流程圖轉(zhuǎn)化成流程樹(shù)，樹(shù)有根節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)表示整個(gè)流程，子節(jié)點(diǎn)可以是控制節(jié)點(diǎn)或代碼節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)順序、分支、循環(huán)等控制;代碼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用、表達(dá)式或代碼段，然后再對(duì)流程樹(shù)進(jìn)行深度優(yōu)先的遍歷，輸出每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)所表示的代碼，最終得到源文件［5-6］。

3.4 程序測(cè)試

程序測(cè)試是指對(duì)一個(gè)完成了全部或部分功能、模塊的計(jì)算機(jī)程序在正式使用前的檢測(cè)，以確保該程序能按預(yù)定的方式正確地運(yùn)行。測(cè)試可以分成白盒測(cè)試、黑盒測(cè)試和灰盒測(cè)試。系統(tǒng)完成之后，通過(guò)測(cè)試才可以交付使用。本系統(tǒng)使用灰盒測(cè)試法，主要由程序設(shè)計(jì)人員自己完成邏輯覆蓋測(cè)試和功能覆蓋測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)完成專用SoC在PC機(jī)上的軟仿真，完成了SoC的軟化功能。本系統(tǒng)的應(yīng)用在兩個(gè)方面:一是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，二是宣傳品制作。開(kāi)發(fā)一款電子產(chǎn)品，若軟件工作量大，則軟開(kāi)發(fā)平臺(tái)非常重要。因?yàn)檐浖嗳送瓿?，軟開(kāi)發(fā)平臺(tái)有高效率和低成本的特點(diǎn)，現(xiàn)在很多此類廠商都使用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。另外，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的影響非常大，如果能把你的產(chǎn)品做成演示版放在互聯(lián)網(wǎng)上宣傳，效果非常好，仿真軟件在這個(gè)方面起到很大作用。

［1］張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］袁志勇.嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［3］徐士良.計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［4］奈霍夫.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ Donald Hearn，Pauline Baker.Computer Graphics C Version［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998.

［6］黃維通，姚瑞霞.Visual C++程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.