单片机软硬件联合仿真解决方案

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。
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    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：

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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。

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