为什么要使用仿真器

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为什么要使用仿真器

1.1 仿真的概念:
----仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的情况。

----在嵌入式系统的设计中，仿真应用的范围主要集中在对程序的仿真上。例如，在单片机的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的一种最简单和原始的开发流程是：编写程序烧写芯片验证功能，这种方法对于简单的小系统是可以对付的，但在大系统中使用这种方法则是完全不可能的。

1.2 仿真的种类:
---软件仿真：这种方法主要是使用计算机软件来模拟运行，实际的单片机运行因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最终的设计。
---硬件仿真：使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步，全速，查看资源断点等。硬件仿真是开发过程中所必须的。

1.3 为什么要使用仿真器?
---在与一些有经验的工程师交谈中，我们会发现有相当一部分工程师在开发中不使用或很少仿真器。向他们询问，原因得到的回答是"仿真器不可靠"但是他们是如何解决程序开发中遇到的问题呢？通过深入的交流才明白他们是按照这样的方法来开发程序的：
---(1) 根据自己的设计建立一个符合要求的硬件平台，如果该平台涉及的程序比较复杂。还要搭建一个人机交流的通道人机交流通道可能是一个简单的发光二极，管蜂鸣器，复杂的可能是串口通讯口LCD显示屏。
---(2) 写一个最简单的程序例，如只是将发光二极管连续的闪烁。程序编译后烧写到单片机芯片中，验证硬件平台是否工作正常。
---(3) 硬件平台正常工作后编写系统最低层的驱动程序，每次程序更改后都重新烧写单片机芯片验证。如果在程序验证中遇到问题，则可能在程序中加入一些调试手段。例如通过串口发送一些信息到PC 端的超级终端上，用于了解程序的运行情况。
---(4) 系统低层驱动程序完成后再编写用户框架程序，由于这部分已经不涉及到硬件部分，所以程序中的问题用户一般能够发现。

---但是更多的调查表明，使用以上方法的工程师总的看来所设计的程序不是很庞大或很复杂。因为在做简单的项目时，我们可以通过一个发光二极管就可以表达出内部的信息：如果程序复杂，可能需要更多的信息来表示内部的状态，这样可能就需要串口协助调试：如果程序更复杂，硬件更多，实时性更强，那工程师就要更多的增强调试手段，串口可能就不能满足了，需要类似于断点的功能，因为我想知道在某一个时刻单片机内部的状态究竟是怎样？
---如果用户程序的修改非常频繁，可能一次又一次地的烧写芯片占用的时间就很多，这时用户就会想能下载程序并运行的装置。
---到这里，您会看到，随着用户要求的越来越高，调试装置已经越来越象一个通用的仿真器了。因此我们的建议是：不要回避使用仿真器因为使用仿真器能提高您的开发速度。
---但是不能否认的是，用户回避使用仿真器也是有原因的。因为仿真器也是一种电子装置，非常依赖于设计者的水平。如果一个仿真器设计者的水平有欠缺，那将给仿真器的使用者带来很大的问题。因为仿真器的使用者将分不清楚究竟是程序的问题还是出在那里。随着电子设备的复杂化，设计工程师面临前所未有的压力。您可以想象，用户发现了程序中有一个问题，首先怀疑是自己系统中的问题，可能是软件方面也可能是硬件方面。因为用户系统处于开发阶段，用户基本上不会怀疑仿真器。在这种情况下，用户将耗费很大的精力在自己的系统中寻找并不存在的问题。如果用户最终发现问题来源于仿真器，并通过烧写芯片验证确，实如此那这个仿真器用户以后可能会逐渐放弃使用仿真器。
---用户放弃使用仿真器，对用户的影响是巨大的。因为放弃使用一个设计不完善的仿真器，也放弃了使用其它设计完善的仿真器，关键是放弃了合理的开发方法。因此我们的建议是：不要回避使用仿真器但要挑选好的仿真器。

1.4 仿真器的附加服务更加重要
---在购买仿真器的同时，还要注意仿真器厂家的服务，这一点很关键。这里说的服务包含仿真器本身的服务，例如仿真器使用上的指导服务，仿真器的维修服务，这些都是一个产品的最基本的服务。对于仿真器这种特殊产品来将还不是全部的服务。
---使用仿真器来开发产品，会遇到很多问题：产品本身的问题，仿真器的问题，仿真器和用户系统的问题。如果用户开发经验不是很丰富，他并不能排除遇到的问题究竟来源于哪个方面。这时，他可能求助于仿真器生产厂商。如果仿真器的生产厂商只专注于仿真器的设计，而对于其它的单片机应用不熟悉，他可能对用户提出的问题不能作出正确的判断而一味的强调自己的仿真器没有问题。与之相反，一个既熟悉仿真器的使用，又有丰富开发经验的仿真器支持厂商则能协助用户快速的找出问题。实践证明这两种情况带来的效果是完全不一样的。

护花使者

那就发个这个吧

单片机软硬件联合仿真解决方案

摘要：本文介绍一种嵌入式系统仿真方法，通过一种特殊设计的指令集仿真器ISS将软件调试器软件Keil uVision2和硬件语言仿真器软件Modelsim连接起来，实现了软件和硬件的同步仿真。

    关键词：BFM，TCL，Verilog，Vhdl，PLI，Modelsim，Keil uVision2，ISS，TFTP，HTTP，虚拟网卡，Sniffer，SMART MEDIA，DMA，MAC，SRAM，CPLD

缩略词解释：

BFM：总线功能模块。在HDL硬件语言仿真中，BFM完成抽象描述数据和具体的时序信号之间的转换。

PLI：Verilog编程语言接口，是C语言模块和Verilog语言模块之间交换数据的接口定义。

TCL：字面意思是工具命令语言，是一种解释执行语言，流行EDA软件一般都集成有TCL。使用TCL用户可以编写控制EDA工具的脚本程序，实现工具操作自动化。

ISS：CPU指令集仿真器，可以执行CPU的机器码。

TFTP：简单文件传输协议，Windows的tftp.exe既是该协议的客户端实现。

SMART MEDIA：一种存储卡，常用于数码相机、MP3。

DMA：直接内存访问。用于外部设备之间高速数据转移。

MAC：媒体接入控制器。本文中是指网卡芯片。

前言

传统的嵌入式系统中，设计周期、硬件和软件的开发是分开进行的，并在硬件完成后才将系统集成在一起，很多情况下，硬件完成后才开始进行实时软件和整体调试。软硬件联合仿真是一种在物理原型可用前，能尽早开始调试程序的技术。

软硬件联合仿真有可能使软件设计工程师在设计早期着手调试，而采用传统的方法，设计工程师直到硬件设计完成才能进行除错处理。有些软件可在没有硬件支持的情况下完成任务的编码，如不涉及到硬件的算法。与硬件相互作用的编码在获得硬件之前编写，但只有在硬件上运行后，才能真正对编码进行调试。通过采用软硬件联合仿真技术，可在设计早期开始这一设计调试过程。由于软件的开发通常在系统开发的后段完成，在设计周期中较早的开始调试有可能将使这一项目提早完成，该技术会降低首次将硬件和软件连接在一起时出现意外而致使项目延期完成所造成的风险。

在取得物理原型前，采用软硬件联合仿真技术对硬件和软件之间的接口进行验证，将使你不会花太多的时间在后期系统调试上。当你确实拿到物理原型开始在上面跑软件的时候，你会发现经过测试的软件部分将会正常工作，这会节省项目后期的大量时间及努力。

软硬件联合仿真系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成，通常软件环境和硬件环境都有自己的除错和控制界面，软件通过一系列由处理器启动的总线周期与硬件的交互作用。本文以一个Mini Web卡的开发介绍一种软硬件联合仿真系统。

该方案的核心是采用一个51单片机仿真引擎GoldBull ISS51（以下简称ISS51），ISS51是51单片机开发环境Keil uVision2的一个插件，ISS51具有连接Keil和硬件仿真环境Modelsim的接口，可以实现软硬件同步仿真。在该系统中，Keil作为软件调试界面，Modelsim作为硬件仿真和调试界面，ISS51负责软件执行、监控软件断点、单步执行、内存和寄存器数据返回给Keil、CPU总线时序产生和捕获、内部功能模块（如定时器，串口）的运行等功能。

Mini Web卡介绍

Mini Web卡是一个运行在单片机上的Web服务器，提供网口连接，有大容量文件系统，提供TFTP和HTTP服务。尽管软件系统比较复杂，但优化编译后，执行代码还不足25K，为后续升级留下了足够空间。

    51CPU采用SST89系列，这种CPU具有ISP功能，可以通过RS232串口，直接将目标码下载到CPU。

DMA控制逻辑是一个可编程逻辑器件，采用的是ALTERA的CPLD EPM240，主要功能是实现外围器件之间的DMA传递。因为51CPU进行IO访问是很低效的，需要24个时钟周期才能进行一次IO访问，在外围设备之间转移数据则需要更多的时钟周期，使用DMA控制逻辑可以达到3个时钟周期就能转移一个字节。本系统中处理多种网络协议，需要大量报文收发和文件系统访问，采用DMA可以极大地提高51单片机的数据处理速度。DMA通道主要有MAC芯片与RAM之间的数据块转移，SMART MEDIA和RAM之间的数据块转移。

网卡芯片采用的是AX88796，主要的优点是可以和51CPU方便地接口；支持100M以太网，速度高；有较大的接收报文缓存，能够平滑网络流量，减少因51CPU处理速度慢导致的报文丢弃和重发。

SMART MEDIA是一个移动存储卡，主要用于存储文件，Mini Web卡支持8M到256M的SMD卡。

文件系统是Mini Web卡的新开发模块，文件系统的测试主要通过TFTP来进行，为此Mini Web卡上的TFTP服务程序进行了特殊设计，支持格式化SMART MEDIA，获取剩余空间，获取文件名列表，上传、下载和删除文件。

软硬件联合仿真的必要性：

Mini Web卡软件模块多，软件开发风险较大。软件对硬件的依赖较强，FLASH存储器的访问驱动、网卡驱动、DMA驱动，需要软硬件协同调试。

文件系统的开发，在仿真环境下更容易和快捷。比如在仿真结束时，可以将SMART MEDIA仿真模型中的数据倒换到磁盘文件中，在仿真开始时，将磁盘文件中的数据加载到SMART MEDIA仿真模型中，在定位文件系统的问题时，这一个功能很有用。

采用软硬件联合仿真，便于系统前期设计。51单片机的外部RAM访问效率较低，内存拷贝、外部器件之间的数据块转移很浪费时间。将大量数据的拷贝操作或数据块校验、比较操作在CPLD内实现，可以大大改进51单片机处理数据的能力。通过软硬件联合仿真，可以评估CPLD处理数据对性能的改进。

Mini Web卡软硬件联合仿真系统：

软硬件联合仿真主要解决的问题是系统功能设计与验证，它不解决电源、滤波电容、总线电平兼容问题。

做系统仿真，首先要对硬件系统建模。我们关注的是系统设计的正确性和可执行性。

系统中的串口只是用来支持ISP下载软件，软件部分没有对串口做任何操作，所以系统仿真可以不必考虑。

网卡芯片AX88796，厂商没有提供仿真模型。它与CPU的接口符合ISA接口标准，软件对AX88796的操作是根据NE2000标准网卡芯片设计的，由此我们建立了一个网卡芯片的仿真模型。我们设计了一个MAC BFM来仿真网卡芯片的ISA接口，NE2000定义的寄存器在C模型中实现，MAC BFM与NE2000寄存器C模型通过PLI接口交换数据。

SRAM仿真模型是很容易获取的，很多器件生产商都提供Verilog仿真模型，但器件生产商提供的Verilog仿真模型都包含复杂的延时控制代码，这会影响仿真速度。根据经验，我们可以确保SRAM在单板设计中被正确应用，不会产生时序问题，所以我们可以采用一个简化的SRAM仿真模型，这是我们自己设计的，有效代码只有十几行。

51CPU BFM 负责单片机管脚时序的产生和捕获。51CPU BFM是与ISS51紧密捆绑的，由ISS51安装程序提供。

SMART MEDIA是三星公司提供的仿真模型，我们使用的也是三星公司的同类型存储卡。该模型可以用于验证软件操作SMART MEDIA的正确性和DMA Controller的接口时序。

DMA Controller是Mini Web卡硬件开发的一部分，将逻辑设计代码应用于仿真，既能检测逻辑设计的正确性，又能使整个仿真系统得以正常运转。

将上述硬件模型连接起来，产生下图所示硬件系统模型图：

图2. Mini Web卡硬件模块电路图

图2中U11为SMART MEDIA仿真模型，U4为DMA Controller模型。

虚拟网卡

做系统仿真，必须输入来自真实世界的激励，并将仿真系统的输出传递到真实世界。即便是不能连接到真实世界，也应该提供模拟真实世界的输入，并对仿真系统的输出进行检测和分析。

对于Mini Web卡来说，它和真实环境是通过网口连接的。使用虚拟网卡技术，能够将图3中的MAC C Model与虚拟网卡进行通讯。

对于运行在Windows系统上的应用程序来说，它并不知道网卡是虚拟的还是真实的，应用程序通过虚拟网卡收发数据，事实上是与仿真系统在进行网络通信。

这样就可以使用TFTP向Mini Web卡仿真系统传递网页文件，使用IE浏览Mini Web卡仿真系统中的网页，Mini Web卡的所有功能都能够被检验。

使用网络臭探器Sniffer可以监控虚拟网卡的报文流，方便协议调试。

仿真加速技术

软硬件联合仿真，影响仿真速度的瓶颈在HDL代码部分的仿真。如果不设法提高HDL代码部分的仿真速度，软件调试就非常低效。

提高硬件仿真速度的方法之一是软件硬件仿真采用事件同步，只在CPU访问IO时保持软件和硬件是同步的。

仿真加速方法之二是硬件仿真系统时钟休眠。对于Mini Web卡来说，只有DMA Controller是受时钟控制的，软件没有操作DMA Controller的期间，DMA Controller的运作是毫无意义的，所以可以在非DMA操作期间，对时钟进行休眠；ISS51在每次IO访问时，给出与上次IO访问的时间差，这个时间差经过处理可以作为时钟休眠的时间段。如果ISS51连续进行IO访问，就不会产生时钟休眠了。DMA Controller工作于查询方式，可以采用时钟休眠技术，而不会导致仿真与真实结果的不一致。

    方法之三是，缩短SMART MEDIA仿真模型中的一些长延时的时间参数。因为在等待SMART MEDIA进入就绪状态时，CPU必须连续查询IO，影响仿真速度。我们主要用于软件功能验证，这种修改也是可以接受的。

方法之四，在软件设计上，谨慎使用外部中断，因为一旦中断启动，ISS51需要在每个机器周期查询是否有中断信号，导致软件仿真和硬件仿真在每个指令上都进行同步，影响仿真速度。如果一定要使用外部中断，建议用C模型代替Verilog模型，这样可不影响仿真速度；或者由用户根据外部模块产生外部中断的时机，使用ISS51的控制命令，在恰当时刻使能ISS51的中断模块。

在一个普通PC （CPU为AMD速龙1000，SDRM512M 133），运行Mini Web卡仿真系统，使用PING命令测试Mini Web卡仿真系统的响应速度：

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

使用IE打开Mini Web卡仿真系统中的网页文件，感觉和拨号上网的速度差不太多。创建多个TFTP连接，同时向仿真系统传递或下载网页文件，同时使用IE进行网页浏览，都无响应中断现象出现。

总结

使用软硬件联合仿真，Mini Web卡不需要硬件就能进行全部功能的仿真，增强了系统设计成功的信心。软硬件联合仿真方便系统设计调整，可以在设计前期评估性能，方便软件和硬件的debug，是一个值得推广的技术。