唐 續(xù)， 王 嘉， 蒲曉蓉

(電子科技大學(xué) a.電子工程學(xué)院;b.英才實(shí)驗(yàn)學(xué)院，四川成都 611731)

0 引言

8051及其兼容的單片機(jī)是目前最普及的8位單片機(jī)，在我校國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及其它高校實(shí)踐教學(xué)中被廣泛采用［1-6］。隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及EDA技術(shù)的發(fā)展，微處理器(MCU)有了新的應(yīng)用形式——IP核，也出現(xiàn)了多種針對(duì)8051 MCU的軟核，如DW8051核，OC8051核、T51核及MC805l核等［7-8］。這些MCU軟核促進(jìn)了各種嵌入式系統(tǒng)和片上可編程系統(tǒng)(SOPC)的應(yīng)用［9-11］。

本文提出一種對(duì)8051 MCU軟核中應(yīng)用程序在線調(diào)試的方法，以期促進(jìn)EDA、單片機(jī)和SOPC綜合實(shí)踐教學(xué)的改革。

1 8051軟核的現(xiàn)有應(yīng)用方法

當(dāng)前，8051軟核的應(yīng)用開發(fā)流程一般如圖1所示:使用 Keil μVision［12］等常用單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)編寫應(yīng)用程序并離線初步調(diào)試。之后編譯生成hex格式的目標(biāo)文件，并將其轉(zhuǎn)換為FPGA的ROM初始化文件格式。然后執(zhí)行FPGA開發(fā)平臺(tái)上的項(xiàng)目流程，生成FPGA配置數(shù)據(jù)，經(jīng)JTAG接口下載到FPGA目標(biāo)板，作上電驗(yàn)證。若結(jié)果與設(shè)計(jì)不符，將重新執(zhí)行所有流程。

圖1 51軟核應(yīng)用的開發(fā)流程

不難看出，該流程需在單片機(jī)和FPGA兩類開發(fā)平臺(tái)上切換。而實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中，特別是實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)用程序往往需多次修改，使得多次反復(fù)執(zhí)行上述流程，相當(dāng)費(fèi)時(shí)。這嚴(yán)重制約了8051軟核在實(shí)踐教學(xué)和學(xué)生科技活動(dòng)(如電子設(shè)計(jì)競賽)中的運(yùn)用。

為此，文獻(xiàn)［13］提出一種在PC機(jī)上修改和編譯單片機(jī)應(yīng)用程序，再通過RS232串口將目標(biāo)代碼下載到FPGA的程序存儲(chǔ)器中的方法。它省去了FPGA項(xiàng)目流程部分的工作量，但程序編制和修改仍然是離線的，未能實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)板上對(duì)應(yīng)用作在線仿真調(diào)試。

下文以MC8051軟核［14］為例，介紹一種基于在線仿真調(diào)試工具M(jìn)onitor-51［12］，對(duì)軟核中應(yīng)用程序作在線調(diào)試的方法。

2 MC8051軟核介紹

MC8051是Oregano Systems公司提供的8051 MCU軟核。它提供VHDL語言設(shè)計(jì)源代碼，可配合各種設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。非常適合SOPC應(yīng)用設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)［15］。

2.1 MC8051 特點(diǎn)

采用全同步設(shè)計(jì)，指令集和標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)全兼容。指令執(zhí)行時(shí)間為1～4個(gè)時(shí)鐘周期，性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)8倍左右。用戶可選定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口單元的數(shù)量;可選是否提供乘法(指令MUL)、除法(指令DIV)以及十進(jìn)制調(diào)整(指令DA)功能;I/O口不復(fù)用以便于靈活定制;帶256 B的內(nèi)部RAM;最多可擴(kuò)展至64KB的ROM和64KB的外部RAM。

2.2 MC8051 組成結(jié)構(gòu)

圖2 MC8051組成結(jié)構(gòu)

MC8051的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。頂層MC8051_top包括處理器核心MC8051_core和三個(gè)存儲(chǔ)模塊:內(nèi)部存儲(chǔ)模塊MC8051_ram、外部代碼存儲(chǔ)模塊MC8051_rom和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊MC8051_ramx。存儲(chǔ)模塊處于設(shè)計(jì)的頂層而不包括于核心內(nèi)，可便于不同F(xiàn)PGA平臺(tái)的仿真及應(yīng)用設(shè)計(jì)。處理器核心MC8051_core由定時(shí)/計(jì)數(shù)器MC8051_tmrctr、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元MC8051_alu、串行接口MC8051_siu和控制單元等模塊組成。定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口單元的數(shù)量N可調(diào)。圖2中還給出了頂層的I/O接口。

3 Monitor-51介紹

Monitor-51是Keil μVision自帶的一種利用PC機(jī)與51單片機(jī)串口通信的侵入式在線調(diào)試工具［12］。該工具在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)和教學(xué)中被廣泛使用。

基于Monitor-51的調(diào)試方法對(duì)硬件有以下要求:

●硬件系統(tǒng)為51系列MCU。

●5KB外部程序存儲(chǔ)器，存Monitor-51監(jiān)控程序。

●256 B外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);

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●外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總?cè)萘勘仨氉銐蛉菁{所有應(yīng)用程序代碼及數(shù)據(jù)，且必須為馮·諾伊曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即能統(tǒng)一尋址外部數(shù)據(jù)空間與代碼空間，以實(shí)現(xiàn)載入執(zhí)行和修改用戶代碼的功能。

●占用一個(gè)定時(shí)器作為串口波特率發(fā)生器。

●6 B的空余堆棧。

標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)采用的是代碼空間和數(shù)據(jù)空間相互獨(dú)立的哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。為獲得馮·諾伊曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)做法如圖3所示，把目標(biāo)單片機(jī)的PSEN引腳和RD引腳取邏輯“與”，再接外部存儲(chǔ)器的OE端，從而合并了外部程序空間和外部數(shù)據(jù)空間。由此，PC機(jī)端運(yùn)行于Keil μVision集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的應(yīng)用程序和調(diào)試信息，通過Monitor-51驅(qū)動(dòng)程序，經(jīng)RS-232接口傳送給目標(biāo)板上的51單片機(jī)，由Monitor-51監(jiān)控程序分析處理并反饋回PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)單步、全速和斷點(diǎn)等方式執(zhí)行，并能觀察各變量和寄存器的值。

圖3 Monitor-51調(diào)試51單片機(jī)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

4 MC8051核中應(yīng)用程序在線調(diào)試方法

下面提出利用Monitor-51工具，通過標(biāo)準(zhǔn)串口對(duì)定制于FPGA中的51軟核的用戶程序進(jìn)行在線調(diào)試的方法。該方法工作原理如圖4所示，和Monitor-51標(biāo)準(zhǔn)用法相似。實(shí)現(xiàn)該方法的步驟包括Monitor-51配置和51軟核定制兩部分。

4.1 Monitor-51監(jiān)控程序定制

如圖4所示，Monitor-51需駐留一段監(jiān)控程序代碼在目標(biāo)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。為能使該監(jiān)控程序根據(jù)不同目標(biāo)系統(tǒng)而定制，Keil軟件提供兩部分文件:INSTALL.A51和 MON51.DLL(與生成監(jiān)控程序相關(guān)的文件均位于Keil軟件安裝路徑下的C51MON51目錄中)。其中MON51.DLL為完成 Monitor-51所有功能的庫文件，INSTALL.A51則以51匯編源代碼的形式提供了定制的接口。最終的目標(biāo)代碼(hex格式)通過參數(shù)化腳本文件INSTALL.BAT編譯生成。

圖4 51軟核中用戶程序在線調(diào)試原理示意

這里，目標(biāo)系統(tǒng)是MC8051核，需定制的內(nèi)容有:

(2)配置單片機(jī)的外部存儲(chǔ)空間。本方法為用戶提供直接的零地址仿真調(diào)試方式［16］，使用戶程序不做特別更改就能開展仿真調(diào)試。為此，對(duì)MC8051軟核的外部存儲(chǔ)空間，從零地址開始，依次分配給用戶程序、用戶數(shù)據(jù)、Monitor-51監(jiān)視程序和監(jiān)視程序外部數(shù)據(jù)。

4.2 支持Monitor-51的MC8051核定制

(1)定制馮·諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。MC8051軟核也采用哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。為使用Monitor-51，需要合并其代碼空間與外部數(shù)據(jù)空間，定制成馮·諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。具體來說，即是去掉圖2中的MC8051_rom空間，只設(shè)一個(gè)代碼和用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)一編址的可讀可寫的MC8051_ramx空間。但由于MC8051沒有提供標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的PSEN和RD信號(hào)，不能直接套用已有的合并方式。需要修改MC8051_core相關(guān)代碼來定制。

通過分析MC8051的源代碼得知，MC8051_core內(nèi)部具有獨(dú)立的代碼空間地址總線和數(shù)據(jù)空間地址總線。定制的工作可歸結(jié)為把MC8051_core內(nèi)部總線與外部數(shù)據(jù)空間MC8051_ramx的地址總線和數(shù)據(jù)總線分別重新連接，形成和圖3中等效的統(tǒng)一尋址效果。

為此，在MC8051_core外添加一個(gè)兩路復(fù)用器，其輸入端分別接代碼空間地址總線信號(hào)rom_adr_o和外部數(shù)據(jù)空間地址總線信號(hào)adrx_o。復(fù)用器的選擇信號(hào)由MC8051核中指示當(dāng)前存儲(chǔ)器訪問類型(為代碼空間訪問或數(shù)據(jù)空間訪問)的信號(hào)s_adrx_mux提供。這使得MC8051對(duì)代碼空間或?qū)?shù)據(jù)空間各自的訪問都實(shí)質(zhì)上是對(duì)單一的MC8051_ramx塊的訪問。

而對(duì)于數(shù)據(jù)總線，這里只需將MC8051_ramx的數(shù)據(jù)線在保持與原內(nèi)部數(shù)據(jù)總線連接的同時(shí)，也連接至代碼空間訪問的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。這樣，實(shí)際的傳送操作將由MC8051_core對(duì)各指令譯碼來判斷完成。定制MC8051核的電路原理如圖5所示。

圖5 定制MC8051的馮·諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

(2)增加定時(shí)器。串口將占用一個(gè)定時(shí)器作為其波特率發(fā)生器。為給用戶提供完整的51單片機(jī)功能，修改mc8051_p.vhd文件中如圖6的配置代碼，可方便地補(bǔ)充一組定時(shí)器。

圖6 設(shè)置定時(shí)器數(shù)量為2的代碼

(3)修改復(fù)位向量。我們知道，Monitor-51工作方式下，單片機(jī)復(fù)位后需首先進(jìn)入Monitor-51監(jiān)控程序，這就要求把單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)位向量(零地址)修改為監(jiān)控代碼首地址:修改control_mem_rtl.vhd文件中pc＜ =conv_unsigned(0，16)為 pc＜ =conv_unsigned(10240，16)，其中10240為監(jiān)控代碼的首地址。

4.3 可在線調(diào)試的MC8051核生成

以基于 Xilinx的 FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)(采用Spartan3E系列芯片XC3S250-144)為例，給出可在線調(diào)試的MC8051核生成步驟如下:

(1)通過配置INSTALL.A51，添加定時(shí)器，設(shè)置監(jiān)控串口波特率9600bps;執(zhí)行INSTALL.BAT，設(shè)置監(jiān)控程序首地址為0x2800，監(jiān)控程序的外部數(shù)據(jù)空間首地址為0x3F00，并編譯生成mon51.hex目標(biāo)文件。

(2)為能加載mon51.hex文件，通過 HEX_BIN.exe和 CoeGenerator.exe將 mon51.hex文件轉(zhuǎn)換為Xilinx FPGA中塊RAM的初始化數(shù)據(jù)文件MON51.coe(兩個(gè)小軟件使用簡單，不作贅述)。

(3)MC8051核中的內(nèi)部MC8051_ram及MC8051_ramx采用FPGA的塊RAM核實(shí)現(xiàn)。先建立ISE項(xiàng)目，再調(diào)用其IP核庫的Block Memory Generator(內(nèi)存塊生成工具)來實(shí)現(xiàn)。其中MC8051_ramx生成時(shí)，以MON51.coe為其初始化數(shù)據(jù)文件。

(4)根據(jù)4.2小節(jié)，定制MC8051_core。

(5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)板時(shí)鐘，生成FPGA內(nèi)的時(shí)鐘模塊(DCM)為MC8051核提供工作時(shí)鐘為18 MHz。

(6)在一個(gè)ISE項(xiàng)目中，將生成的DCM模塊、MC8051_ram、MC8051_ramx和 MC8051_core等部分，添加管腳約束ucf文件，進(jìn)行綜合和布局布線，最后生成包含MC8051核的FPGA配置文件(.bit文件)。

(7)用JTAG接口下載.bit文件到FPGA。

至此，該FPGA平臺(tái)上建立了一個(gè)可在線調(diào)試8051單片機(jī)的程序。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可進(jìn)一步形成更加標(biāo)準(zhǔn)的引腳封裝，如圖7所示。這樣，學(xué)生可方便地配合平臺(tái)外設(shè)，開展各單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖7 MC8051封裝

4.4 在線調(diào)試應(yīng)用舉例

以MC8051單片機(jī)P0口驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED的流水燈實(shí)驗(yàn)為例。中間還設(shè)置了一個(gè)除法運(yùn)算，驗(yàn)證18MHz主頻下除法功能的正常運(yùn)行。應(yīng)用Keil μVision4對(duì)其在線調(diào)試的過程如下:

(1)μVision2設(shè)置。新建工程，在工程中可選擇目標(biāo)器件為標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)，如Atmel-＞89C51，再進(jìn)行options設(shè)置。在其中的“Debug”欄中選用“Keil Monitor-51 Driver”，并設(shè)置串口“Baudrate”為9600。

(2)調(diào)試界面。在項(xiàng)目中創(chuàng)建C51源程序文件，成功編譯后，點(diǎn)擊工具條中圖標(biāo)進(jìn)入調(diào)試界面。其中，單片機(jī)的內(nèi)部寄存器、各局部變量和觀察窗口中的變量都在線可見。所有程序修改和調(diào)試都只需PC端的操作，無需對(duì)FPGA及其中的51軟核作重配置。

5 結(jié)語

本文提出基于Monitor-51和MC8051軟核定制，實(shí)現(xiàn)在FPGA平臺(tái)中在線調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用程序的方法。該方法有效解決了當(dāng)前8051軟核在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、EDA實(shí)驗(yàn)和SOPC實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用的瓶頸問題，為三者的融合提供了可能，有力地支撐了本校電子技術(shù)綜合實(shí)踐教學(xué)的改革，也期望對(duì)其他高校的相關(guān)工作有所幫助。

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