前言

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中,，設計周期,、硬件和軟件的開發(fā)是分開進行的,，并在硬件完成后才將系統(tǒng)集成在一起,，很多情況下,，硬件完成后才開始進行實時軟件和整體調試,。軟硬件聯(lián)合仿真" title="聯(lián)合仿真">聯(lián)合仿真是一種在物理原型可用前,，能盡早開始調試程序的技術。

　　軟硬件聯(lián)合仿真有可能使軟件設計工程師在設計早期著手調試,，而采用傳統(tǒng)的方法,，設計工程師直到硬件設計完成才能進行除錯處理。有些軟件可在沒有硬件支持的情況下完成任務的編碼,，如不涉及到硬件的算法,。與硬件相互作用的編碼在獲得硬件之前編寫，但只有在硬件上運行后,，才能真正對編碼進行調試,。通過采用軟硬件聯(lián)合仿真技術，可在設計早期開始這一設計調試過程,。由于軟件的開發(fā)通常在系統(tǒng)開發(fā)的后段完成,，在設計周期中較早的開始調試有可能將使這一項目提早完成，該技術會降低首次將硬件和軟件連接在一起時出現(xiàn)意外而致使項目延期完成所造成的風險,。

　　在取得物理原型前,，采用軟硬件聯(lián)合仿真技術對硬件和軟件之間的接口進行驗證，將使你不會花太多的時間在后期系統(tǒng)調試上,。當你確實拿到物理原型開始在上面跑軟件的時候,，你會發(fā)現(xiàn)經過測試的軟件部分將會正常工作，這會節(jié)省項目后期的大量時間及努力,。

軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)由一個硬件執(zhí)行環(huán)境和一個軟件執(zhí)行環(huán)境組成,，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯和控制界面，軟件通過一系列由處理器啟動的總線周期與硬件的交互作用,。本文以一個Mini Web卡的開發(fā)介紹一種軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng),。

　　該方案的核心是采用一個51單片機" title="單片機">單片機仿真引擎GoldBull ISS" title="ISS">ISS51（以下簡稱ISS51），ISS51是51單片機開發(fā)環(huán)境Keil uVision2的一個插件,，ISS51具有連接Keil和硬件仿真環(huán)境Modelsim" title="Modelsim">Modelsim的接口,，可以實現(xiàn)軟硬件同步仿真,。在該系統(tǒng)中，Keil作為軟件調試界面,，Modelsim作為硬件仿真和調試界面,，ISS51負責軟件執(zhí)行、監(jiān)控軟件斷點,、單步執(zhí)行,、內存和寄存器數(shù)據(jù)返回給Keil、CPU總線時序產生和捕獲,、內部功能模塊（如定時器,，串口）的運行等功能。

　　Mini Web卡介紹

　　Mini Web卡是一個運行在單片機上的Web服務器,，提供網口連接,，有大容量文件系統(tǒng)，提供TFTP和HTTP服務,。盡管軟件系統(tǒng)比較復雜,，但優(yōu)化編譯后，執(zhí)行代碼還不足25K,，為后續(xù)升級留下了足夠空間,。

　　51CPU采用SST89系列，這種CPU具有ISP功能,，可以通過RS232串口,，直接將目標碼下載到CPU。

　　DMA控制邏輯是一個可編程邏輯器件,，采用的是ALTERA的CPLD EPM240,，主要功能是實現(xiàn)外圍器件之間的DMA傳遞。因為51CPU進行IO訪問是很低效的,，需要24個時鐘周期才能進行一次IO訪問，在外圍設備之間轉移數(shù)據(jù)則需要更多的時鐘周期,，使用DMA控制邏輯可以達到3個時鐘周期就能轉移一個字節(jié),。本系統(tǒng)中處理多種網絡協(xié)議，需要大量報文收發(fā)和文件系統(tǒng)訪問,，采用DMA可以極大地提高51單片機的數(shù)據(jù)處理速度,。DMA通道主要有MAC芯片與RAM之間的數(shù)據(jù)塊轉移，SMART MEDIA和RAM之間的數(shù)據(jù)塊轉移,。

　　網卡芯片采用的是AX88796,，主要的優(yōu)點是可以和51CPU方便地接口；支持100M以太網,，速度高,；有較大的接收報文緩存,，能夠平滑網絡流量，減少因51CPU處理速度慢導致的報文丟棄和重發(fā),。

　　SMART MEDIA是一個移動存儲卡,，主要用于存儲文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡,。

　　文件系統(tǒng)是Mini Web卡的新開發(fā)模塊,，文件系統(tǒng)的測試主要通過TFTP來進行，為此Mini Web卡上的TFTP服務程序進行了特殊設計,，支持格式化SMART MEDIA,，獲取剩余空間，獲取文件名列表,，上傳,、下載和刪除文件。

　　軟硬件聯(lián)合仿真的必要性：

　　Mini Web卡軟件模塊多,，軟件開發(fā)風險較大,。軟件對硬件的依賴較強，F(xiàn)LASH存儲器的訪問驅動,、網卡驅動,、DMA驅動，需要軟硬件協(xié)同調試,。

　　文件系統(tǒng)的開發(fā),，在仿真環(huán)境下更容易和快捷。比如在仿真結束時,，可以將SMART MEDIA仿真模型中的數(shù)據(jù)倒換到磁盤文件中,，在仿真開始時，將磁盤文件中的數(shù)據(jù)加載到SMART MEDIA仿真模型中,，在定位文件系統(tǒng)的問題時,，這一個功能很有用。

　　采用軟硬件聯(lián)合仿真,，便于系統(tǒng)前期設計,。51單片機的外部RAM訪問效率較低，內存拷貝,、外部器件之間的數(shù)據(jù)塊轉移很浪費時間,。將大量數(shù)據(jù)的拷貝操作或數(shù)據(jù)塊校驗、比較操作在CPLD內實現(xiàn),，可以大大改進51單片機處理數(shù)據(jù)的能力,。通過軟硬件聯(lián)合仿真，可以評估CPLD處理數(shù)據(jù)對性能的改進。

　　Mini Web卡軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)：

　　軟硬件聯(lián)合仿真主要解決的問題是系統(tǒng)功能設計與驗證,，它不解決電源,、濾波電容、總線電平兼容問題,。

　　做系統(tǒng)仿真,，首先要對硬件系統(tǒng)建模。我們關注的是系統(tǒng)設計的正確性和可執(zhí)行性,。

　　系統(tǒng)中的串口只是用來支持ISP下載軟件,，軟件部分沒有對串口做任何操作，所以系統(tǒng)仿真可以不必考慮,。

　　網卡芯片AX88796,，廠商沒有提供仿真模型。它與CPU的接口符合ISA接口標準,，軟件對AX88796的操作是根據(jù)NE2000標準網卡芯片設計的,，由此我們建立了一個網卡芯片的仿真模型。我們設計了一個MAC BFM來仿真網卡芯片的ISA接口,，NE2000定義的寄存器在C模型中實現(xiàn),，MAC BFM與NE2000寄存器C模型通過PLI接*換數(shù)據(jù)。

　　SRAM仿真模型是很容易獲取的,，很多器件生產商都提供Verilog仿真模型,，但器件生產商提供的Verilog仿真模型都包含復雜的延時控制代碼，這會影響仿真速度,。根據(jù)經驗,，我們可以確保SRAM在單板設計中被正確應用，不會產生時序問題,，所以我們可以采用一個簡化的SRAM仿真模型,，這是我們自己設計的，有效代碼只有十幾行,。

　　51CPU BFM 負責單片機管腳時序的產生和捕獲,。51CPU BFM是與ISS51緊密捆綁的，由ISS51安裝程序提供,。

　　SMART MEDIA是三星公司提供的仿真模型,，我們使用的也是三星公司的同類型存儲卡。該模型可以用于驗證軟件操作SMART MEDIA的正確性和DMA Controller的接口時序,。

　　DMA Controller是Mini Web卡硬件開發(fā)的一部分，將邏輯設計代碼應用于仿真,，既能檢測邏輯設計的正確性,，又能使整個仿真系統(tǒng)得以正常運轉。

　　將上述硬件模型連接起來，產生下圖所示硬件系統(tǒng)模型圖：

圖2. Mini Web卡硬件模塊電路圖

　　圖2中U11為SMART MEDIA仿真模型,，U4為DMA Controller模型,。

　　虛擬網卡

　　做系統(tǒng)仿真，必須輸入來自真實世界的激勵,，并將仿真系統(tǒng)的輸出傳遞到真實世界,。即便是不能連接到真實世界，也應該提供模擬真實世界的輸入,，并對仿真系統(tǒng)的輸出進行檢測和分析,。

　　對于Mini Web卡來說，它和真實環(huán)境是通過網口連接的,。使用虛擬網卡技術,，能夠將圖3中的MAC C Model與虛擬網卡進行通訊。

　　對于運行在Windows系統(tǒng)上的應用程序來說,，它并不知道網卡是虛擬的還是真實的,，應用程序通過虛擬網卡收發(fā)數(shù)據(jù)，事實上是與仿真系統(tǒng)在進行網絡通信,。

　　這樣就可以使用TFTP向Mini Web卡仿真系統(tǒng)傳遞網頁文件,，使用IE瀏覽Mini Web卡仿真系統(tǒng)中的網頁，Mini Web卡的所有功能都能夠被檢驗,。

　　使用網絡臭探器Sniffer可以監(jiān)控虛擬網卡的報文流,，方便協(xié)議調試。

　　仿真加速技術

　　軟硬件聯(lián)合仿真,，影響仿真速度的瓶頸在HDL代碼部分的仿真,。如果不設法提高HDL代碼部分的仿真速度，軟件調試就非常低效,。

　　提高硬件仿真速度的方法之一是軟件硬件仿真采用事件同步,，只在CPU訪問IO時保持軟件和硬件是同步的。

　　仿真加速方法之二是硬件仿真系統(tǒng)時鐘休眠,。對于Mini Web卡來說,，只有DMA Controller是受時鐘控制的，軟件沒有操作DMA Controller的期間,，DMA Controller的運作是毫無意義的,，所以可以在非DMA操作期間，對時鐘進行休眠,；ISS51在每次IO訪問時,，給出與上次IO訪問的時間差，這個時間差經過處理可以作為時鐘休眠的時間段,。如果ISS51連續(xù)進行IO訪問,，就不會產生時鐘休眠了。DMA Controller工作于查詢方式，可以采用時鐘休眠技術,，而不會導致仿真與真實結果的不一致,。

　　方法之三是，縮短SMART MEDIA仿真模型中的一些長延時的時間參數(shù),。因為在等待SMART MEDIA進入就緒狀態(tài)時,，CPU必須連續(xù)查詢IO，影響仿真速度,。我們主要用于軟件功能驗證,，這種修改也是可以接受的。

　　方法之四,，在軟件設計上,，謹慎使用外部中斷，因為一旦中斷啟動,，ISS51需要在每個機器周期查詢是否有中斷信號,，導致軟件仿真和硬件仿真在每個指令上都進行同步，影響仿真速度,。如果一定要使用外部中斷,，建議用C模型代替Verilog模型，這樣可不影響仿真速度,；或者由用戶根據(jù)外部模塊產生外部中斷的時機,，使用ISS51的控制命令，在恰當時刻使能ISS51的中斷模塊,。

　　在一個普通PC （CPU為AMD速龍1000,，SDRM512M 133），運行Mini Web卡仿真系統(tǒng),，使用PING命令測試Mini Web卡仿真系統(tǒng)的響應速度：

　　Reply from 10.10.112.76: bytes=32 time=64ms TTL=128

　　使用IE打開Mini Web卡仿真系統(tǒng)中的網頁文件,，感覺和撥號上網的速度差不太多。創(chuàng)建多個TFTP連接,，同時向仿真系統(tǒng)傳遞或下載網頁文件,，同時使用IE進行網頁瀏覽，都無響應中斷現(xiàn)象出現(xiàn),。

　　總結

　　使用軟硬件聯(lián)合仿真,，Mini Web卡不需要硬件就能進行全部功能的仿真，增強了系統(tǒng)設計成功的信心,。軟硬件聯(lián)合仿真方便系統(tǒng)設計調整,，可以在設計前期*估性能，方便軟件和硬件的 debug,，是一個值得推廣的技術,。