一種8051軟核的用戶程序在線調試方法

唐 續， 王 嘉， 蒲曉蓉

(電子科技大學 a.電子工程學院;b.英才實驗學院，四川成都 611731)

0 引言

8051及其兼容的單片機是目前最普及的8位單片機，在我校國家級實驗教學示范中心及其它高校實踐教學中被廣泛采用［1-6］。隨著現場可編程門陣列(FPGA)及EDA技術的發展，微處理器(MCU)有了新的應用形式——IP核，也出現了多種針對8051 MCU的軟核，如DW8051核，OC8051核、T51核及MC805l核等［7-8］。這些MCU軟核促進了各種嵌入式系統和片上可編程系統(SOPC)的應用［9-11］。

本文提出一種對8051 MCU軟核中應用程序在線調試的方法，以期促進EDA、單片機和SOPC綜合實踐教學的改革。

1 8051軟核的現有應用方法

當前，8051軟核的應用開發流程一般如圖1所示:使用 Keil μVision［12］等常用單片機開發平臺編寫應用程序并離線初步調試。之后編譯生成hex格式的目標文件，并將其轉換為FPGA的ROM初始化文件格式。然后執行FPGA開發平臺上的項目流程，生成FPGA配置數據，經JTAG接口下載到FPGA目標板，作上電驗證。若結果與設計不符，將重新執行所有流程。

圖1 51軟核應用的開發流程

不難看出，該流程需在單片機和FPGA兩類開發平臺上切換。而實際應用開發中，特別是實踐教學中，應用程序往往需多次修改，使得多次反復執行上述流程，相當費時。這嚴重制約了8051軟核在實踐教學和學生科技活動(如電子設計競賽)中的運用。

為此，文獻［13］提出一種在PC機上修改和編譯單片機應用程序，再通過RS232串口將目標代碼下載到FPGA的程序存儲器中的方法。它省去了FPGA項目流程部分的工作量，但程序編制和修改仍然是離線的，未能實現在目標板上對應用作在線仿真調試。

下文以MC8051軟核［14］為例，介紹一種基于在線仿真調試工具Monitor-51［12］，對軟核中應用程序作在線調試的方法。

2 MC8051軟核介紹

MC8051是Oregano Systems公司提供的8051 MCU軟核。它提供VHDL語言設計源代碼，可配合各種設計平臺進行綜合實現。可根據實際應用需求進行配置。非常適合SOPC應用設計和實踐教學［15］。

2.1 MC8051 特點

采用全同步設計，指令集和標準8051單片機全兼容。指令執行時間為1～4個時鐘周期，性能優于標準8051單片機8倍左右。用戶可選定時/計數器和串行接口單元的數量;可選是否提供乘法(指令MUL)、除法(指令DIV)以及十進制調整(指令DA)功能;I/O口不復用以便于靈活定制;帶256 B的內部RAM;最多可擴展至64KB的ROM和64KB的外部RAM。

2.2 MC8051 組成結構

圖2 MC8051組成結構

MC8051的組成結構如圖2所示。頂層MC8051_top包括處理器核心MC8051_core和三個存儲模塊:內部存儲模塊MC8051_ram、外部代碼存儲模塊MC8051_rom和外部數據存儲模塊MC8051_ramx。存儲模塊處于設計的頂層而不包括于核心內，可便于不同FPGA平臺的仿真及應用設計。處理器核心MC8051_core由定時/計數器MC8051_tmrctr、算術邏輯運算單元MC8051_alu、串行接口MC8051_siu和控制單元等模塊組成。定時/計數器和串行接口單元的數量N可調。圖2中還給出了頂層的I/O接口。

3 Monitor-51介紹

Monitor-51是Keil μVision自帶的一種利用PC機與51單片機串口通信的侵入式在線調試工具［12］。該工具在單片機系統的應用開發和教學中被廣泛使用。

基于Monitor-51的調試方法對硬件有以下要求:

●硬件系統為51系列MCU。

●5KB外部程序存儲器，存Monitor-51監控程序。

●256 B外部數據存儲器，存監控數據;

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●外部數據存儲器總容量必須足夠容納所有應用程序代碼及數據，且必須為馮·諾伊曼存儲結構，即能統一尋址外部數據空間與代碼空間，以實現載入執行和修改用戶代碼的功能。

●占用一個定時器作為串口波特率發生器。

●6 B的空余堆棧。

標準51單片機采用的是代碼空間和數據空間相互獨立的哈佛存儲結構。為獲得馮·諾伊曼存儲結構，標準做法如圖3所示，把目標單片機的PSEN引腳和RD引腳取邏輯“與”，再接外部存儲器的OE端，從而合并了外部程序空間和外部數據空間。由此，PC機端運行于Keil μVision集成開發環境(IDE)的應用程序和調試信息，通過Monitor-51驅動程序，經RS-232接口傳送給目標板上的51單片機，由Monitor-51監控程序分析處理并反饋回PC機，實現單步、全速和斷點等方式執行，并能觀察各變量和寄存器的值。

圖3 Monitor-51調試51單片機系統的電路結構

4 MC8051核中應用程序在線調試方法

下面提出利用Monitor-51工具，通過標準串口對定制于FPGA中的51軟核的用戶程序進行在線調試的方法。該方法工作原理如圖4所示，和Monitor-51標準用法相似。實現該方法的步驟包括Monitor-51配置和51軟核定制兩部分。

4.1 Monitor-51監控程序定制

如圖4所示，Monitor-51需駐留一段監控程序代碼在目標系統的存儲空間。為能使該監控程序根據不同目標系統而定制，Keil軟件提供兩部分文件:INSTALL.A51和 MON51.DLL(與生成監控程序相關的文件均位于Keil軟件安裝路徑下的C51MON51目錄中)。其中MON51.DLL為完成 Monitor-51所有功能的庫文件，INSTALL.A51則以51匯編源代碼的形式提供了定制的接口。最終的目標代碼(hex格式)通過參數化腳本文件INSTALL.BAT編譯生成。

圖4 51軟核中用戶程序在線調試原理示意

這里，目標系統是MC8051核，需定制的內容有:

(2)配置單片機的外部存儲空間。本方法為用戶提供直接的零地址仿真調試方式［16］，使用戶程序不做特別更改就能開展仿真調試。為此，對MC8051軟核的外部存儲空間，從零地址開始，依次分配給用戶程序、用戶數據、Monitor-51監視程序和監視程序外部數據。

4.2 支持Monitor-51的MC8051核定制

(1)定制馮·諾依曼存儲結構。MC8051軟核也采用哈佛存儲結構。為使用Monitor-51，需要合并其代碼空間與外部數據空間，定制成馮·諾依曼存儲結構。具體來說，即是去掉圖2中的MC8051_rom空間，只設一個代碼和用戶數據統一編址的可讀可寫的MC8051_ramx空間。但由于MC8051沒有提供標準8051單片機的PSEN和RD信號，不能直接套用已有的合并方式。需要修改MC8051_core相關代碼來定制。

通過分析MC8051的源代碼得知，MC8051_core內部具有獨立的代碼空間地址總線和數據空間地址總線。定制的工作可歸結為把MC8051_core內部總線與外部數據空間MC8051_ramx的地址總線和數據總線分別重新連接，形成和圖3中等效的統一尋址效果。

為此，在MC8051_core外添加一個兩路復用器，其輸入端分別接代碼空間地址總線信號rom_adr_o和外部數據空間地址總線信號adrx_o。復用器的選擇信號由MC8051核中指示當前存儲器訪問類型(為代碼空間訪問或數據空間訪問)的信號s_adrx_mux提供。這使得MC8051對代碼空間或對數據空間各自的訪問都實質上是對單一的MC8051_ramx塊的訪問。

而對于數據總線，這里只需將MC8051_ramx的數據線在保持與原內部數據總線連接的同時，也連接至代碼空間訪問的內部數據總線。這樣，實際的傳送操作將由MC8051_core對各指令譯碼來判斷完成。定制MC8051核的電路原理如圖5所示。

圖5 定制MC8051的馮·諾依曼存儲結構

(2)增加定時器。串口將占用一個定時器作為其波特率發生器。為給用戶提供完整的51單片機功能，修改mc8051_p.vhd文件中如圖6的配置代碼，可方便地補充一組定時器。

圖6 設置定時器數量為2的代碼

(3)修改復位向量。我們知道，Monitor-51工作方式下，單片機復位后需首先進入Monitor-51監控程序，這就要求把單片機標準的復位向量(零地址)修改為監控代碼首地址:修改control_mem_rtl.vhd文件中pc＜ =conv_unsigned(0，16)為 pc＜ =conv_unsigned(10240，16)，其中10240為監控代碼的首地址。

4.3 可在線調試的MC8051核生成

以基于 Xilinx的 FPGA實驗教學平臺(采用Spartan3E系列芯片XC3S250-144)為例，給出可在線調試的MC8051核生成步驟如下:

(1)通過配置INSTALL.A51，添加定時器，設置監控串口波特率9600bps;執行INSTALL.BAT，設置監控程序首地址為0x2800，監控程序的外部數據空間首地址為0x3F00，并編譯生成mon51.hex目標文件。

(2)為能加載mon51.hex文件，通過 HEX_BIN.exe和 CoeGenerator.exe將 mon51.hex文件轉換為Xilinx FPGA中塊RAM的初始化數據文件MON51.coe(兩個小軟件使用簡單，不作贅述)。

(3)MC8051核中的內部MC8051_ram及MC8051_ramx采用FPGA的塊RAM核實現。先建立ISE項目，再調用其IP核庫的Block Memory Generator(內存塊生成工具)來實現。其中MC8051_ramx生成時，以MON51.coe為其初始化數據文件。

(4)根據4.2小節，定制MC8051_core。

(5)根據實驗板時鐘，生成FPGA內的時鐘模塊(DCM)為MC8051核提供工作時鐘為18 MHz。

(6)在一個ISE項目中，將生成的DCM模塊、MC8051_ram、MC8051_ramx和 MC8051_core等部分，添加管腳約束ucf文件，進行綜合和布局布線，最后生成包含MC8051核的FPGA配置文件(.bit文件)。

(7)用JTAG接口下載.bit文件到FPGA。

至此，該FPGA平臺上建立了一個可在線調試8051單片機的程序。在實際的實驗教學中，可進一步形成更加標準的引腳封裝，如圖7所示。這樣，學生可方便地配合平臺外設，開展各單片機實驗項目。

圖7 MC8051封裝

4.4 在線調試應用舉例

以MC8051單片機P0口驅動8個LED的流水燈實驗為例。中間還設置了一個除法運算，驗證18MHz主頻下除法功能的正常運行。應用Keil μVision4對其在線調試的過程如下:

(1)μVision2設置。新建工程，在工程中可選擇目標器件為標準8051單片機，如Atmel-＞89C51，再進行options設置。在其中的“Debug”欄中選用“Keil Monitor-51 Driver”，并設置串口“Baudrate”為9600。

(2)調試界面。在項目中創建C51源程序文件，成功編譯后，點擊工具條中圖標進入調試界面。其中，單片機的內部寄存器、各局部變量和觀察窗口中的變量都在線可見。所有程序修改和調試都只需PC端的操作，無需對FPGA及其中的51軟核作重配置。

5 結語

本文提出基于Monitor-51和MC8051軟核定制，實現在FPGA平臺中在線調試單片機應用程序的方法。該方法有效解決了當前8051軟核在單片機實驗、EDA實驗和SOPC實驗等實踐教學中運用的瓶頸問題，為三者的融合提供了可能，有力地支撐了本校電子技術綜合實踐教學的改革，也期望對其他高校的相關工作有所幫助。

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