20世紀(jì)80年代初，Intel公司推出了MCS-51單片機(jī),，隨后Intel以專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核發(fā)布給許多半導(dǎo)體廠家,，從而出現(xiàn)了許多與MCS-51系統(tǒng)兼容的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品與MCS-51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同,，采用CMOS工藝,，因而常用80C51系列來(lái)指代所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)。在80C51系列中，OC8051以架構(gòu)清晰,、取指帶寬大,、時(shí)鐘效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。本文在分析OpenCores網(wǎng)站提供的一款 OC8051IP核的基礎(chǔ)上,，給出了一種仿真調(diào)試方案,；利用該方案指出了其中若干邏輯錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行修改，最終完成了修改后IP核的FPGA下載測(cè)試,。
1 OC8051結(jié)構(gòu)分析
OpenCores網(wǎng)站提供的OC8051 IP核與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同,，如圖1所示。該IP核兼容所有8051指令系統(tǒng),，內(nèi)部資源包括：8位CPU,，尋址能力達(dá)2×64K；4 KB的ROM和128字節(jié)的RAM,；4個(gè)8位I／O口,；16位內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源和2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),。采用Verilog語(yǔ)言對(duì)其各個(gè)模塊進(jìn)行描述,。系統(tǒng)主要模塊及其功能說(shuō)明如表1所列。不同模塊對(duì)應(yīng)的源文件均是以模塊名稱(chēng)命名的,，例如累加器A對(duì)應(yīng)的源文件為oc8051_acc．v,。
雖然上述OC8051 IP核宣稱(chēng)兼容所有8051指令系統(tǒng)，但是實(shí)際執(zhí)行時(shí)并非如此,。例如在執(zhí)行表2所列的2組功能相同的代碼時(shí),，所得到的執(zhí)行結(jié)果并不相同。代碼1的執(zhí)行結(jié)果是將5寫(xiě)入地址為0的外部RAM,，代碼2的執(zhí)行結(jié)果是將5寫(xiě)入地址為4的外部RAM,。造成這種現(xiàn)象的原因是，oc8051_ext_addr_sel模塊配置寫(xiě)外部RAM地址時(shí)延誤了一個(gè)時(shí)鐘周期,。若要OC8051 IP核與標(biāo)準(zhǔn)8051系統(tǒng)一致,，須對(duì)源文件中類(lèi)似的邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行修改。
2 OC805 1仿真調(diào)試及修改
對(duì)于硬件設(shè)計(jì)而言,，仿真的作用是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的邏輯功能是否符合初始規(guī)定,，如果在這一層次上設(shè)計(jì)出了問(wèn)題，那么以后各個(gè)層次的工作將完全不確定,。由前文可知，OC8051 IP核存在著邏輯錯(cuò)誤,，所以有必要通過(guò)仿真的手段實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤查找和定位,，從而最終完成對(duì)邏輯錯(cuò)誤的修改。
2．1 仿真調(diào)試方案
OC8051仿真調(diào)試方案如圖2所示。其原理是：在Keil軟件環(huán)境中編寫(xiě)測(cè)試程序,，編譯生成．hex文件并將其注入ROM的指令寄存器中,。 testbench負(fù)責(zé)產(chǎn)生OC8051工作時(shí)鐘及控制使能等信號(hào)，并將OC8051執(zhí)行ROM中指令的結(jié)果輸出到文本／波形文件中,。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)對(duì)文本／波形文件和Keil調(diào)試工具執(zhí)行測(cè)試程序的結(jié)果進(jìn)行比較,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯錯(cuò)誤的查找與定位，并對(duì)IP核源文件進(jìn)行修改,。
值得注意的是,，雖然Modelsim功能強(qiáng)大，可以方便地觀察到任何層次模塊信號(hào)的變化,，但是OC8051 IP核的結(jié)構(gòu)和時(shí)序比較復(fù)雜,，仍避免不了仿真時(shí)因?yàn)橹虚g信號(hào)多所帶來(lái)的不便。因此,，在仿真調(diào)試時(shí)可尋求一些簡(jiǎn)化操作的機(jī)制,。考慮到借助數(shù)據(jù)寄存器指針 DPTR和累加器A,，MOVX指令可以將程序執(zhí)行過(guò)程中任何寄存器的值輸出到外部RAM中,，而觀察外部RAM中的值相對(duì)容易，因而本文采用了這種機(jī)制,。
2．2 具體修改方法
(1)oc805 1_ext_addr_sel模塊
讀寫(xiě)外部RAM地址可以由DPTR指示,，也可以由Ri指示，該模塊的主要功能是選擇讀寫(xiě)外部RAM地址,。通過(guò)select和write信號(hào)完成對(duì)buff和state的配置,，從而完成對(duì)讀寫(xiě)外部RAM地址addr_out的配置。在Modelsim環(huán)境中,，執(zhí)行表1中的代碼1時(shí),，發(fā)現(xiàn) addz_out的變化總是比DPTR慢一個(gè)時(shí)鐘周期，因而其執(zhí)行結(jié)果是將5寫(xiě)入地址為0的外部RAM,。造成這種現(xiàn)象的原因是配置buff和state時(shí)采用了always進(jìn)程,，本文將該部分代碼修改為：
assign state="write"；
asstgn buff="select"?{8h00,，ri}：{dptr_hi,，dptr_lo}；
(2)oc8051_psw模塊
該模塊由一個(gè)8位標(biāo)志寄存器及其控制邏輯組成,，用來(lái)收集指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài),。8位寄存器的各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行過(guò)程中自動(dòng)形成，但也可以由用戶(hù)根據(jù)需要采用傳送指令加以改變,。原設(shè)計(jì)中負(fù)責(zé)解釋傳送指令的邏輯采用if語(yǔ)句：
if(addr[7：3]=='OC8051_SFR_B_ACC)data_out[addr[2：O]]<=cy_in,；
'OC8051_SFR_B_ACC被定義為累加器A的高5位地址,，用在這里顯然不對(duì)。應(yīng)該將其改為程序狀態(tài)字PSW的高5位地址 'OC8051_SFR_B_PSW,。
(3)OC8051_alu 模塊
該模塊是一個(gè)性能極強(qiáng)的運(yùn)算器,，不但可以進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，而且具有數(shù)據(jù)傳送,、移位,、程序轉(zhuǎn)移等功能。其中,，程序轉(zhuǎn)移功能是當(dāng)遇到短轉(zhuǎn)移指令SJMlE’或變址轉(zhuǎn)移指令JZ,、CJNE、DJNZ等時(shí),，改變程序計(jì)數(shù)器PC的值,，對(duì)應(yīng)原設(shè)計(jì)為always進(jìn)程中的 'OC8051_ALU_PCS分支。其代碼如下：
輸入src3為PC[15：8],，src2為PC[7,；0]，src1為目標(biāo)轉(zhuǎn)移地址rel,。需要注意的是,，rel是以立即數(shù)形式存在的，且為補(bǔ)碼格式(補(bǔ)碼數(shù)的加減法運(yùn)算統(tǒng)一為加法運(yùn)算),。若src1[7]=1'b1成立,，則rel為一負(fù)數(shù)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)移指令是往前轉(zhuǎn)移,；否則,，往后轉(zhuǎn)移。當(dāng)rel 為負(fù)數(shù)時(shí),，原設(shè)計(jì)僅考慮了：PC[7：0]≥| rel |的情況,，其對(duì)目標(biāo)地址{des1，des2}的處理不全面,；當(dāng)PC[7：0]<|rel|時(shí),，des2=src2+src1為負(fù)數(shù)，借位會(huì)對(duì) des1產(chǎn)生影響,，因而應(yīng)有des1=src3-8'h1,。因此，將該部分代碼修改為：
其中c是借位標(biāo)志位,，用來(lái)標(biāo)識(shí)程序轉(zhuǎn)移時(shí)PC[7：0]對(duì)PC[15：8]的影響,。
(4)oc8051_decoder模塊
該模塊用于對(duì)指令譯碼。其設(shè)計(jì)思想是,，分析當(dāng)前輸入信號(hào)op_in和所處狀態(tài)state,，把指令的功能配置為其他模塊的控制信號(hào),，并得出下一個(gè)狀態(tài),。因?yàn)楦髦噶畹闹噶钪芷诓煌?，所以每條指令譯碼執(zhí)行狀態(tài)也各有不同。模塊主體由狀態(tài)機(jī)構(gòu)成,，在每個(gè)狀態(tài)下對(duì)狀態(tài)機(jī)不同的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行條件判斷嵌套,，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同指令的多路選擇。對(duì)模塊仿真時(shí)發(fā)現(xiàn),，執(zhí)行如DJNZ,、JB、CLR等指令的結(jié)果不正確,，其原因是在某些狀態(tài)下對(duì)某些指令的譯碼有誤,，主要表現(xiàn)為配置了錯(cuò)誤的控制信號(hào)。對(duì)模塊修改結(jié)果如表3所列,。
2．3 仿真結(jié)果
程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式,，通常可以分為單步執(zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種,。事實(shí)上,，2．2小節(jié)中的具體修改方法正是結(jié)合這兩種工作方式實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)是著名的對(duì)稱(chēng)密鑰分組密碼,，由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIPS 46-2定義,。基于8051指令系統(tǒng),，DES的軟件實(shí)現(xiàn)難度不大,，但它是對(duì)OC8051 IP核工作能力的一次綜合檢驗(yàn)。采用 DEs標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試向量：
密鑰K=1A624C89520DEC46
明文P=748502CD38451097
密文C=DD0CFEB783CF3FDE
結(jié)合圖2所示的仿真調(diào)試方案,，Modelsim環(huán)境中OC8051執(zhí)行DES的仿真結(jié)果如圖3所示,。
3 基于FPGA的下載測(cè)試
利用FPGA對(duì)其功能進(jìn)行了驗(yàn)證。選用Altera公司的EP2C35F672C6型號(hào)FPGA開(kāi)發(fā)板,，含有33 216個(gè)邏輯單元(LE),、豐富的存儲(chǔ)器(RAM)和4個(gè)鎖相環(huán)(PLL)。采用QuartusII軟件,，OC8051 IP核綜合后占用3 917個(gè)邏輯單元,，時(shí)鐘頻率最高達(dá)到30．81 MHz，F(xiàn)PGA測(cè)試的實(shí)際頻率為27 MHz,。
利用QuartusII對(duì)OC8051 IP核綜合,、布局布線后，采用JTAG方式將配置文件下載至FPGA中,，測(cè)試程序仍采用DES算法程序,。In-System Memory ContentEditor是QuartusII提供的一個(gè)可在線操作FPGA片上RAM內(nèi)容的工具,，通過(guò)JTAG方式，用戶(hù)可以查看和修改RAM中的內(nèi)容,。如果用戶(hù)設(shè)計(jì)對(duì)RAM中的內(nèi)容進(jìn)行了修改,，需要查看修改后的結(jié)果是否為所期望的，則使用該工具最為方便,。OC8051 IP核外部RAM中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)該工具方便地操作,，所以本文對(duì)DES測(cè)試向量的輸入和輸出都是通過(guò)它來(lái)完成的，如圖4所示,。
FPGA下載測(cè)試結(jié)果表明,，OC8051工作正常，與仿真結(jié)果一樣,，測(cè)試程序運(yùn)行正確,。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種OC8051 IP核的仿真測(cè)試方案。該方案給出了查找與定位IP核中邏輯錯(cuò)誤的方法,，并詳細(xì)介紹了各種錯(cuò)誤的修改方法,。測(cè)試結(jié)果表明，OC8051工作正常,，已經(jīng)初步具備了微控制器的功能,，可以被運(yùn)用于實(shí)際的工程開(kāi)發(fā)中。
參考文獻(xiàn)
1. 中國(guó)自學(xué)編程網(wǎng).MCS-51型號(hào)和8051系列分[EB/OL].[2007-01].http://www.zxbe.cn/html /20070726/25200.html.
2. OC8051 Overview[EB/OL].[2007-07].http://www.opencores.org/?do=project&who=8051.
3. Bailey B.Verification Strategies-The Right Strategy for You[C].CICC,IEEE2000.
4. 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2004.
5. Menezes A J,Oorschot P C,Vanstone S A.應(yīng)用密碼學(xué)手冊(cè)[M].胡磊,王鵬,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.
6. Altera.Quartus Ⅱ Handbook Version 9.0 Volume 3:Verification[EB/OL].[2007-07].http://www.altera.com.
作者：解放軍信息工程大學(xué) 楊先文 李崢 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》 2009（11）