隨著集成電路產業(yè)的發(fā)展,，SoC系統(tǒng)已經成為IC產業(yè)的主流,。微控制器（MCU" title="MCU">MCU）是SoC系統(tǒng)的核心模塊，由于8位微控制器具有指令簡單靈活,、規(guī)模小,、速度快的特點，因此廣泛應用于SoC系統(tǒng)中,。

　　本文所要驗證的8位RISC" title="RISC">RISC MCU IP核是與Microchip公司的8位MCU指令集完全兼容的IP核,，采用哈佛總線結構，地址總線和數據總線分開,，程序和數據分別存儲在程序存儲器和數據存儲器中,；采用兩級流水線設計，共有33條指令，指令寬度為12位,，PC寬度為11位,，可尋址2KB[1]。除了部分條件測試指令和跳轉指令為雙周期外,，其他所有指令都可以在一個指令周期完成,。

　　1 MCU的結構分析

　　該MCU核沒有內部程序存儲器，頂層劃分為控制部分和數據通路兩部分,，細化后的結構如圖1所示,。

圖1 MCU結構細化圖

　　(1)控制部分由節(jié)拍發(fā)生器模塊,、看門狗模塊和復位邏輯模塊組成,。
 
　　(2)數據通路由程序計數器（PC）、堆棧,、指令寄存器(IR),、指令譯碼器、專用寄存器,、通用寄存器,、數據選擇器、ALU,、IO端口模塊等組成,。

　　設計的具體實現(xiàn)不是本文的重點，因此不對整體設計實現(xiàn)作出詳細介紹,。鑒于流水線和跳轉指令的實現(xiàn)是RISC MCU設計和仿真中的重點和難點,，下文詳細介紹流水線和跳轉指令的實現(xiàn)原理。如圖2所示,，一條指令的執(zhí)行由Q1,、Q2、Q3,、Q4這4個時鐘節(jié)拍來完成,，在當前指令執(zhí)行周期中，PC值在Q1節(jié)拍有效時加1,，Q4節(jié)拍把下一條指令取出到指令寄存器,，準備讓MCU在下一個指令周期執(zhí)行，從而實現(xiàn)了流水線的操作,。

圖2 兩級流水線的實現(xiàn)

　　若當前執(zhí)行的指令為跳轉指令,，如子程序調用指令CALL（假設CALL指令地址為PC1）執(zhí)行時，CALL指令的下一條指令ROM[PC1+1]需要在程序返回時才能執(zhí)行,，但此時PC指針已經指向下一條指令,，為了避免流水線遭到破壞，Q4取指時要用空操作指令（NOP）屏蔽掉下一條指令[2]，PC值在下一個指令周期的Q1有效時更改為子程序的地址用于調用子程序,，同時將當前PC（PC1+1）值壓入堆棧,。子程序返回指令RETLW執(zhí)行時與CALL的執(zhí)行類似，不同之處是PC值在下一個指令周期的Q1有效時置為堆棧所存地址（PC1+1）跳回主程序,。由上可知跳轉指令的執(zhí)行由當前指令加一條NOP指令來完成,，需要兩個指令周期來實現(xiàn)。

　　2 仿真

　　IC設計流程中,，仿真主要包括功能驗證和后仿真兩個部分,。功能驗證又稱為前仿真，用來驗證RTL級設計的功能是否正確,；在后仿真中,，布局布線的時延反標到設計中去，使仿真既包含器件延時,，又包含布局布線后線延時信息,，這種仿真能較好地反映芯片的實際工作情況[3]。以下的驗證方法同時適用于功能驗證和后仿真,。

　　進行仿真前,，首先需要建立系統(tǒng)的仿真平臺，仿真平臺采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)組成的體系,。TESTBENCH對DUT施加激勵并檢查驗證結果的正確性,，DUT是待測設計。由于本文設計的MCU核內部沒有程序存儲器,，因此在建立仿真平臺時,，需要在IP核外掛一個虛擬程序存儲器模塊，本文中DUT由將要進行驗證的MCU IP核的RTL模型或時序模型和虛擬程序存儲器模塊組成,，如圖3所示,。仿真時程序存儲器根據設計模型輸出的地址信號給出相應指令，該程序存儲器采用黑盒子的方式進行設計,，用RTL對其外部接口建模,，編譯時通過程序初始化文件rom.dat對其進行初始化。

圖3 仿真平臺

　　建立仿真平臺后,，本文采用不同的指令以及指令組合對系統(tǒng)進行測試,。雖然該MCU采用RISC指令集，只有33條指令,。但該MCU IP核具有12位的指令寬度,，并且不同的指令類型的指令格式也不相同，因此編寫測試指令也是一項非常復雜繁瑣的工作,，需要耗費大量的時間,，并且很容易由于人為原因出現(xiàn)錯誤的指令編碼,，最終導致錯誤的仿真結果。為了解決這一問題,，本文采用匯編語言來編寫測試指令,，經過匯編程序仿真器仿真無誤后[4]，再由匯編器編譯生成HEX文件,，然后由該HEX文件轉化為仿真需要的ROM文件,，避免了人為原因導致的錯誤指令編碼，并且大大加快了測試文件的生成,。

　　本文使用Microchip的PIC" title="PIC">PIC系列匯編器MPASM匯編生成HEX文件rom.hex,，HEX文件由一條或多條記錄組成，每行是一條16進制表示的記錄,。通過分析HEX文件的格式,，可以通過轉化HEX文件中的記錄得到所需的ROM文件。本文使用VC設計了轉化程序HEX2ROM,，用來完成HEX文件到ROM文件的自動轉化,，rom.hex文件經程序轉化后生成rom.dat,。仿真時在測試文件中讀入rom.dat完成對虛擬程序存儲器初始化,，模擬程序存儲器模塊對MCU核進行驗證。

 　　下面使用該方法對跳轉指令CALL,、RETLW進行驗證,，其他指令的驗證方法與其類似，不再贅述,。首先編寫一段驗證CALL,、RETLW的匯編程序

　　TESTCALL.ASM。
            …
       ORG  100H
T_CALL CALL  DLY
       MOVLW 00H
…
       ORG  000H         
DLY  RRF  6
       RETLW 0
           …

　　然后使用匯編器MPASM對該程序進行編譯,，程序的編譯后的HEX文件以及轉化后的ROM文件如表1所示,。其中326代表的是RRF，800代表的是RETLW,，900代表的是CALL DLY,，C00代表的是MOVLW 00H。

　　最后把ROM文件讀入驗證平臺初始化虛擬程序存儲器模塊,，開始進行仿真,，圖4是該測試程序在Modelsim中進行仿真的仿真波形，可以看到當測試程序執(zhí)行到CALL指令時,，在CALL指令后插入了一個空操作指令,，同時將PC置為被調用的子程序DLY的起始地址（000）。然后在下一個指令周期開始執(zhí)行DLY子程序,。同樣測試程序執(zhí)行到RETLW時,，在RETLW后插入了一個空操作指令,，同時將PC恢復為CALL指令的下一條指令（C00）的地址（101）。仿真結果與跳轉指令的設計要求相符,。

圖4 跳轉指令CALL,、RETLW仿真波形圖

　　3 結束語

　　本文提出的建立虛擬指令存儲器模塊對MCU IP核仿真的方案和自動生成指令測試文件的方法，大大提高了MCU IP核仿真和驗證的效率,。此方法不僅對本文中MCU IP核的仿真和驗證有效,，也可用于同類中其它IP核的仿真和驗證。例如當對MCU進行升級設計,、擴展尋址范圍或指令寬度時,，只要修改仿真文件和轉化程序的相關參數即可。

　　參考文獻

1 Microchip Technology Inc.. PIC 16c5x Datasheet[Z]. 1998.
2 徐  欣, 于紅旗, 易  凡, 等. 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.
3 楊  圣. PIC系列單片機的原理與實踐[M]. 合肥: 中國科學技術出版社, 2003.
4 劉志碧, 陳  杰, 陳迪平. 適用于RISC CPU 的轉移指令的原理及仿真[J]. 半導體技術, 2003, 28(11): 68-70.