8位RISC MCU IP软核仿真的新方法

2011-08-05 10:54:00来源: 互联网

    随着集成电路产业的发展,SoC系统已经成为IC产业的主流。微控制器MCU)是SoC系统的核心模块,由于8位微控制器具有指令简单灵活、规模小、速度快的特点,因此广泛应用于SoC系统中。

  本文所要验证的8位RISC MCU IP核是与Microchip公司的8位MCU指令集完全兼容的IP核,采用哈佛总线结构,地址总线和数据总线分开,程序和数据分别存储在程序存储器和数据存储器中;采用两级流水线设计,共有33条指令,指令宽度为12位,PC宽度为11位,可寻址2KB[1]。除了部分条件测试指令和跳转指令为双周期外,其他所有指令都可以在一个指令周期完成。

  1 MCU的结构分析

  该MCU核没有内部程序存储器,顶层划分为控制部分和数据通路两部分,细化后的结构如图1所示。


图1 MCU结构细化图

  (1)控制部分由节拍发生器模块、看门狗模块和复位逻辑模块组成。
 
  (2)数据通路由程序计数器(PC)、堆栈、指令寄存器(IR)、指令译码器、专用寄存器、通用寄存器、数据选择器、ALU、IO端口模块等组成。

  设计的具体实现不是本文的重点,因此不对整体设计实现作出详细介绍。鉴于流水线和跳转指令的实现是RISC MCU设计和仿真中的重点和难点,下文详细介绍流水线和跳转指令的实现原理。如图2所示,一条指令的执行由Q1、Q2、Q3、Q4这4个时钟节拍来完成,在当前指令执行周期中,PC值在Q1节拍有效时加1,Q4节拍把下一条指令取出到指令寄存器,准备让MCU在下一个指令周期执行,从而实现了流水线的操作。

两级流水线的实现

图2 两级流水线的实现

  若当前执行的指令为跳转指令,如子程序调用指令CALL(假设CALL指令地址为PC1)执行时,CALL指令的下一条指令ROM[PC1+1]需要在程序返回时才能执行,但此时PC指针已经指向下一条指令,为了避免流水线遭到破坏,Q4取指时要用空操作指令(NOP)屏蔽掉下一条指令[2],PC值在下一个指令周期的Q1有效时更改为子程序的地址用于调用子程序,同时将当前PC(PC1+1)值压入堆栈。子程序返回指令RETLW执行时与CALL的执行类似,不同之处是PC值在下一个指令周期的Q1有效时置为堆栈所存地址(PC1+1)跳回主程序。由上可知跳转指令的执行由当前指令加一条NOP指令来完成,需要两个指令周期来实现。

  2 仿真

  IC设计流程中,仿真主要包括功能验证和后仿真两个部分。功能验证又称为前仿真,用来验证RTL级设计的功能是否正确;在后仿真中,布局布线的时延反标到设计中去,使仿真既包含器件延时,又包含布局布线后线延时信息,这种仿真能较好地反映芯片的实际工作情况[3]。以下的验证方法同时适用于功能验证和后仿真。

  进行仿真前,首先需要建立系统的仿真平台,仿真平台采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)组成的体系。TESTBENCH对DUT施加激励并检查验证结果的正确性,DUT是待测设计。由于本文设计的MCU核内部没有程序存储器,因此在建立仿真平台时,需要在IP核外挂一个虚拟程序存储器模块,本文中DUT由将要进行验证的MCU IP核的RTL模型或时序模型和虚拟程序存储器模块组成,如图3所示。仿真时程序存储器根据设计模型输出的地址信号给出相应指令,该程序存储器采用黑盒子的方式进行设计,用RTL对其外部接口建模,编译时通过程序初始化文件rom.dat对其进行初始化。

仿真平台

图3 仿真平台

  建立仿真平台后,本文采用不同的指令以及指令组合对系统进行测试。虽然该MCU采用RISC指令集,只有33条指令。但该MCU IP核具有12位的指令宽度,并且不同的指令类型的指令格式也不相同,因此编写测试指令也是一项非常复杂繁琐的工作,需要耗费大量的时间,并且很容易由于人为原因出现错误的指令编码,最终导致错误的仿真结果。为了解决这一问题,本文采用汇编语言来编写测试指令,经过汇编程序仿真器仿真无误后[4],再由汇编器编译生成HEX文件,然后由该HEX文件转化为仿真需要的ROM文件,避免了人为原因导致的错误指令编码,并且大大加快了测试文件的生成。

  本文使用Microchip的PIC系列汇编器MPASM汇编生成HEX文件rom.hex,HEX文件由一条或多条记录组成,每行是一条16进制表示的记录。通过分析HEX文件的格式,可以通过转化HEX文件中的记录得到所需的ROM文件。本文使用VC设计了转化程序HEX2ROM,用来完成HEX文件到ROM文件的自动转化,rom.hex文件经程序转化后生成rom.dat。仿真时在测试文件中读入rom.dat完成对虚拟程序存储器初始化,模拟程序存储器模块对MCU核进行验证。

   下面使用该方法对跳转指令CALL、RETLW进行验证,其他指令的验证方法与其类似,不再赘述。首先编写一段验证CALL、RETLW的汇编程序

 

  TESTCALL.ASM。
            …
       ORG  100H
T_CALL CALL  DLY
       MOVLW 00H

       ORG  000H         
DLY  RRF  6
       RETLW 0
           …

  然后使用汇编器MPASM对该程序进行编译,程序的编译后的HEX文件以及转化后的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文件读入验证平台初始化虚拟程序存储器模块,开始进行仿真,图4是该测试程序在Modelsim中进行仿真的仿真波形,可以看到当测试程序执行到CALL指令时,在CALL指令后插入了一个空操作指令,同时将PC置为被调用的子程序DLY的起始地址(000)。然后在下一个指令周期开始执行DLY子程序。同样测试程序执行到RETLW时,在RETLW后插入了一个空操作指令,同时将PC恢复为CALL指令的下一条指令(C00)的地址(101)。仿真结果与跳转指令的设计要求相符。

跳转指令CALL

图4 跳转指令CALL、RETLW仿真波形图

  3 结束语

  本文提出的建立虚拟指令存储器模块对MCU IP核仿真的方案和自动生成指令测试文件的方法,大大提高了MCU IP核仿真和验证的效率。此方法不仅对本文中MCU IP核的仿真和验证有效,也可用于同类中其它IP核的仿真和验证。例如当对MCU进行升级设计、扩展寻址范围或指令宽度时,只要修改仿真文件和转化程序的相关参数即可。

  参考文献

1 Microchip Technology Inc.. PIC 16c5x Datasheet[Z]. 1998.
2 徐  欣, 于红旗, 易  凡, 等. 基于FPGA嵌入式系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.
3 杨  圣. PIC系列单片机的原理与实践[M]. 合肥: 中国科学技术出版社, 2003.
4 刘志碧, 陈  杰, 陈迪平. 适用于RISC CPU 的转移指令的原理及仿真[J]. 半导体技术, 2003, 28(11): 68-70.

关键字:RISC  MCU

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0805/article_7801.html
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