專用SoC仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

李長波

(蕪湖職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241000)

在企業(yè)的研發(fā)中，經(jīng)常遇到硬件軟件化和軟件硬件化的問題。本文論述的是一個硬件軟件化的問題，用軟件仿真硬件，使用戶在軟件仿真的環(huán)境中完成需要硬件才可以完成的工作。對于各種專用SoC，硬件軟件化的平臺搭建有較高的技術含量。

1 專用SoC的硬件構成

圖1為SoC芯片的構成框圖［1］，由圖1可以看出，該芯片有十大模塊構成，分別是主控MCU、電源、觸摸屏、雙時鐘、UART、SPI、LCD 控制器、FLASH 驅動、I/O口和存儲器。專用SoC是針對某一類特定需求而設計。圖1所示的IC是為了詞典機設計的框架，每一個應用模塊都有對應的用途。主控SoC調度所有的模塊，而且其中還包含累加器、RAM、各種寄存器等資源。存儲器是線性存儲器，要求容量大，存放數(shù)量龐大的詞典數(shù)據(jù)。雙時鐘模塊要實現(xiàn)高速運算和計時功能，開機時高速運算，關機時保留低速時鐘計時;I/O口模塊可以外加各種DSP，如語音，也可以設計按鍵。FLASH驅動用來存放可以被用戶修改的數(shù)據(jù)。LCD控制器外接COG類的LCD 作為顯示設備［2］。

圖1 SoC的基本構成

2 SoC仿真系統(tǒng)的原理

2.1 主控SoC的仿真模型的建立［3］

SoC內(nèi)部有4個部分要建立模型:累加器、RAM、FLASH、各類寄存器。根據(jù)所仿真的SoC的類型，抽象出它的數(shù)據(jù)模型，如SoC的位數(shù)等。圖2是SoC的基本框圖，從圖2中可以看出，要建立的仿真模型有累加器ACC、寄存器、RAM。寄存器包括SoC各種功能寄存器，如狀態(tài)寄存器、堆棧寄存器、通用寄存器、特殊寄存器等，并且要清楚每個寄存器每個位的功能。RAM也包含較多的內(nèi)涵，如全局變量、局部變量、堆棧區(qū)以及特殊變量等的仿真，都需要嚴密的算法，來保證結果的正確。

圖2 處理單元的基本構成

2.2 其它模塊仿真模型的建立［3］

其它模塊包括:觸摸屏、雙時鐘、UART、SPI、LCD控制器、FLASH驅動、I/O口和存儲器模塊。對于每一個外設，系統(tǒng)都為它定義好數(shù)學模型的同時，開一個或多個線程完成對其功能的仿真。圖3為觸摸屏的仿真流程圖，圖4為FLASH的仿真流程圖。從圖3中可以看出，觸摸屏要處理單擊、雙擊和拖動三個事件;FLASH要處理扇區(qū)讀寫問題，而且在寫的時候，要完成先擦出后寫入的功能。其它模塊與此類似，不重復敘述。

圖3 觸摸屏仿真流程圖

圖4 FLASH讀寫流程圖

2.3 指令仿真模型的建立［3］

指令仿真是系統(tǒng)非常關鍵的部分，每一條指令按照它對應的時序、操作的寄存器、影響的狀態(tài)位、影響的堆棧等都要準確仿真(圖5)。而且對于指令仿真，不僅要建立單個指令的數(shù)據(jù)模型，還要建立整個數(shù)據(jù)指令集合的處理系統(tǒng)。

圖5 MCS－51的取指時序

時序對單個指令非常關鍵，下面以總線數(shù)據(jù)寫為例加以說明。從圖5可以看出，每一個時間點要非常準確，系統(tǒng)在進行指令仿真時，必須按時鐘準確計算。所以，仿真只能是高速IC仿真低速IC。

圖6是SoC主控芯片左移指令的流程圖，從圖6中可以看出，指令操作就是數(shù)據(jù)結構的操作，所以，數(shù)據(jù)結構的定義非常關鍵。當前芯片的架構主要是ARM和MIPS，而指令集基本使用RISC(Reduced Instruction Set Computing)指令集，所以仿真相對規(guī)范。

圖6 左移指令流程圖

把SoC主芯片的指令全部用程序解釋出來之后，這些子模塊需要進行管理。本系統(tǒng)建立了一個指針隊列加以管理。每個元素的信息如圖7所示，其顯示了指令集的管理結構。其中指令是一個指針，指向對應的指令子模塊，優(yōu)先級依據(jù)RISC指令集提供信息確定，脈沖數(shù)是該指令占用多少個脈沖，時間是該指令執(zhí)行完所消耗的總時間。

圖7 指令集管理結構

3 SoC仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)使用VC開發(fā)平臺設計完成，在開發(fā)的過程中，大量使用宏定義，有較好的可移植性。

3.1 總體設計

系統(tǒng)劃分的模塊［4］如圖8所示，共分為5大模塊，分別是處理器模塊、存儲器模塊、指令模塊、外設模塊和人機接口模塊。處理器模塊完成處理器的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設置、程序運行等功能;存儲器模塊完成處理器的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設置、讀寫運算等功能;指令模塊完成指令的仿真、指令集合的管理、指令的調用機制等功能;外設模塊完成外設的數(shù)據(jù)定義、參數(shù)設置、功能仿真等功能;人機接口模塊處理系統(tǒng)與用戶的接口。

圖8 總體模塊的劃分

3.2 詳細設計

總體設計把系統(tǒng)分成五部分大的模塊，這些模塊還要繼續(xù)分割成小的模塊。模塊越小，任務越清晰，這是軟件設計的基本步驟。這里只以處理器模塊來加以說明，其它的模塊省略。從圖9中可以看出，處理器模塊又劃分出四個小模塊，分別是現(xiàn)場模塊、指令模塊、時序模塊和計算模塊。現(xiàn)場模塊完成SoC主芯片的累加器、寄存器、RAM等功能;指令模塊完成指令的仿真設計和管理;時序模塊完成SoC晶振的仿真和計算功能;計算模塊完成上述三個模塊的集成及綜合處理的功能。這些小模塊還可以繼續(xù)劃分，直到分成可以直接寫子函數(shù)為止，并且完成流程圖。

圖9 處理器模塊的劃分

3.3 代碼轉化

根據(jù)詳細設計的流程圖，程序員可以完成代碼的轉化。流程圖代碼化屬于正向工程范疇，先將流程圖轉化成流程樹，樹有根節(jié)點和子節(jié)點，根節(jié)點表示整個流程，子節(jié)點可以是控制節(jié)點或代碼節(jié)點。控制節(jié)點可以實現(xiàn)順序、分支、循環(huán)等控制;代碼節(jié)點實現(xiàn)函數(shù)調用、表達式或代碼段，然后再對流程樹進行深度優(yōu)先的遍歷，輸出每個流程節(jié)點所表示的代碼，最終得到源文件［5-6］。

3.4 程序測試

程序測試是指對一個完成了全部或部分功能、模塊的計算機程序在正式使用前的檢測，以確保該程序能按預定的方式正確地運行。測試可以分成白盒測試、黑盒測試和灰盒測試。系統(tǒng)完成之后，通過測試才可以交付使用。本系統(tǒng)使用灰盒測試法，主要由程序設計人員自己完成邏輯覆蓋測試和功能覆蓋測試。

4 結束語

本系統(tǒng)完成專用SoC在PC機上的軟仿真，完成了SoC的軟化功能。本系統(tǒng)的應用在兩個方面:一是產(chǎn)品開發(fā)，二是宣傳品制作。開發(fā)一款電子產(chǎn)品，若軟件工作量大，則軟開發(fā)平臺非常重要。因為軟件要多人完成，軟開發(fā)平臺有高效率和低成本的特點，現(xiàn)在很多此類廠商都使用軟件開發(fā)平臺。另外，當前互聯(lián)網(wǎng)的影響非常大，如果能把你的產(chǎn)品做成演示版放在互聯(lián)網(wǎng)上宣傳，效果非常好，仿真軟件在這個方面起到很大作用。

［1］張志良.單片機原理與控制技術［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］袁志勇.嵌入式系統(tǒng)原理與應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［3］徐士良.計算機軟件技術基礎［M］.3版.北京:清華大學出版社，2010.

［4］奈霍夫.數(shù)據(jù)結構與算法分析［M］.2版.北京:清華大學出版社，2006.

［5］ Donald Hearn，Pauline Baker.Computer Graphics C Version［M］.北京:清華大學出版社，1998.

［6］黃維通，姚瑞霞.Visual C++程序設計教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.