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在FPGA上對OC8051IP核的修改與測試
摘要: 本文介紹了一種OC8051 IP核的仿真測試方案。該方案給出了查找與定位IP核中邏輯錯誤的方法,并詳細介紹了各種錯誤的修改方法。測試結果表明,OC8051工作正常,已經初步具備了微控制器的功能,可以被運用于實際的工程開發中。
關鍵詞: SoPC FPGA OC8051 IP核
Abstract:
Key words :

  引 言

  20世紀80年代初,Intel公司推出了MCS-51單片機,隨后Intel以專利轉讓的形式把8051內核發布給許多半導體廠家,從而出現了許多與MCS-51系統兼容的產品。這些產品與MCS-51的系統結構相同,采用CMOS工藝,因而常用80C51系列來指代所有具有8051指令系統的單片機。在80C51系列中,OC8051以架構清晰、取指帶寬大、時鐘效率高等諸多優點受到業內人士的青睞。本文在分析OpenCores網站提供的一款OC8051IP核的基礎上,給出了一種仿真調試方案;利用該方案指出了其中若干邏輯錯誤并對其進行修改,最終完成了修改后IP核的FPGA下載測試。

  1 OC8051結構分析

  OpenCores網站提供的OC8051 IP核與8051的系統結構相同,如圖1所示。該IP核兼容所有8051指令系統,內部資源包括:8位CPU,尋址能力達2×64K;4 KB的ROM和128字節的RAM;4個8位I/O口;16位內部定時/計數器;5個中斷源和2個中斷優先級。采用Verilog語言對其各個模塊進行描述。系統主要模塊及其功能說明如表1所列。不同模塊對應的源文件均是以模塊名稱命名的,例如累加器A對應的源文件為oc8051_acc.v。



  雖然上述OC8051 IP核宣稱兼容所有8051指令系統,但是實際執行時并非如此。例如在執行表2所列的2組功能相同的代碼時,所得到的執行結果并不相同。代碼1的執行結果是將5寫入地址為0的外部RAM,代碼2的執行結果是將5寫入地址為4的外部RAM。造成這種現象的原因是,oc8051_ext_addr_sel模塊配置寫外部RAM地址時延誤了一個時鐘周期。若要OC8051 IP核與標準8051系統一致,須對源文件中類似的邏輯錯誤進行修改。

  2 OC805 1仿真調試及修改

  對于硬件設計而言,仿真的作用是驗證設計結果的邏輯功能是否符合初始規定,如果在這一層次上設計出了問題,那么以后各個層次的工作將完全不確定。由前文可知,OC8051 IP核存在著邏輯錯誤,所以有必要通過仿真的手段實現錯誤查找和定位,從而最終完成對邏輯錯誤的修改。

  2.1 仿真調試方案

  OC8051仿真調試方案如圖2所示。其原理是:在Keil軟件環境中編寫測試程序,編譯生成.hex文件并將其注入ROM的指令寄存器中。testbench負責產生OC8051工作時鐘及控制使能等信號,并將OC8051執行ROM中指令的結果輸出到文本/波形文件中。開發人員通過對文本/波形文件和Keil調試工具執行測試程序的結果進行比較,從而實現對邏輯錯誤的查找與定位,并對IP核源文件進行修改。


  值得注意的是,雖然Modelsim功能強大,可以方便地觀察到任何層次模塊信號的變化,但是OC8051 IP核的結構和時序比較復雜,仍避免不了仿真時因為中間信號多所帶來的不便。因此,在仿真調試時可尋求一些簡化操作的機制。考慮到借助數據寄存器指針DPTR和累加器A,MOVX指令可以將程序執行過程中任何寄存器的值輸出到外部RAM中,而觀察外部RAM中的值相對容易,因而本文采用了這種機制。

  2.2 具體修改方法

  (1)oc805 1_ext_addr_sel模塊

  讀寫外部RAM地址可以由DPTR指示,也可以由Ri指示,該模塊的主要功能是選擇讀寫外部RAM地址。通過select和write信號完成對buff和state的配置,從而完成對讀寫外部RAM地址addr_out的配置。在Modelsim環境中,執行表1中的代碼1時,發現addz_out的變化總是比DPTR慢一個時鐘周期,因而其執行結果是將5寫入地址為0的外部RAM。造成這種現象的原因是配置buff和state時采用了always進程,本文將該部分代碼修改為:

  assign state="write";

  asstgn buff="select"?{8h00,ri}:{dptr_hi,dptr_lo};

  (2)oc8051_psw模塊

  該模塊由一個8位標志寄存器及其控制邏輯組成,用來收集指令執行后的有關狀態。8位寄存器的各位狀態通常是在指令執行過程中自動形成,但也可以由用戶根據需要采用傳送指令加以改變。原設計中負責解釋傳送指令的邏輯采用if語句:

  if(addr[7:3]=='OC8051_SFR_B_ACC)data_out[addr[2:O]]<=cy_in;

  'OC8051_SFR_B_ACC被定義為累加器A的高5位地址,用在這里顯然不對。應該將其改為程序狀態字PSW的高5位地址'OC8051_SFR_B_PSW。

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