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在FPGA上對(duì)OC8051 IP核的修改與測(cè)試

發(fā)布時(shí)間:2010-11-8 14:51    發(fā)布者:eetech
關(guān)鍵詞: FPGA上 , IP核 , OC8051 , 測(cè)試 , 修改
20世紀(jì)80年代初,Intel公司推出了MCS-51單片機(jī),隨后Intel以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核發(fā)布給許多半導(dǎo)體廠家,從而出現(xiàn)了許多與MCS-51系統(tǒng)兼容的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品與MCS-51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同,采用CMOS工藝,因而常用80C51系列來(lái)指代所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)。在80C51系列中,OC8051以架構(gòu)清晰、取指帶寬大、時(shí)鐘效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。本文在分析OpenCores網(wǎng)站提供的一款OC8051IP核的基礎(chǔ)上,給出了一種仿真調(diào)試方案;利用該方案指出了其中若干邏輯錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行修改,最終完成了修改后IP核的FPGA下載測(cè)試。

1 OC8051結(jié)構(gòu)分析

OpenCores網(wǎng)站提供的OC8051 IP核與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同,如圖1所示。該IP核兼容所有8051指令系統(tǒng),內(nèi)部資源包括:8位CPU,尋址能力達(dá)2×64K;4 KB的ROM和128字節(jié)的RAM;4個(gè)8位I/O口;16位內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器;5個(gè)中斷源和2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。采用Verilog語(yǔ)言對(duì)其各個(gè)模塊進(jìn)行描述。系統(tǒng)主要模塊及其功能說(shuō)明如表1所列。不同模塊對(duì)應(yīng)的源文件均是以模塊名稱命名的,例如累加器A對(duì)應(yīng)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(tǒng),但是實(shí)際執(zhí)行時(shí)并非如此。例如在執(zhí)行表2所列的2組功能相同的代碼時(shí),所得到的執(zhí)行結(jié)果并不相同。代碼1的執(zhí)行結(jié)果是將5寫入地址為0的外部RAM,代碼2的執(zhí)行結(jié)果是將5寫入地址為4的外部RAM。造成這種現(xiàn)象的原因是,oc8051_ext_addr_sel模塊配置寫外部RAM地址時(shí)延誤了一個(gè)時(shí)鐘周期。若要OC8051 IP核與標(biāo)準(zhǔn)8051系統(tǒng)一致,須對(duì)源文件中類似的邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行修改。





2 OC805 1仿真調(diào)試及修改

對(duì)于硬件設(shè)計(jì)而言,仿真的作用是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的邏輯功能是否符合初始規(guī)定,如果在這一層次上設(shè)計(jì)出了問(wèn)題,那么以后各個(gè)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(cuò)誤,所以有必要通過(guò)仿真的手段實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤查找和定位,從而最終完成對(duì)邏輯錯(cuò)誤的修改。

2.1 仿真調(diào)試方案

OC8051仿真調(diào)試方案如圖2所示。其原理是:在Keil軟件環(huán)境中編寫測(cè)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(fù)責(zé)產(chǎn)生OC8051工作時(shí)鐘及控制使能等信號(hào),并將OC8051執(zhí)行ROM中指令的結(jié)果輸出到文本/波形文件中。開發(fā)人員通過(guò)對(duì)文本/波形文件和Keil調(diào)試工具執(zhí)行測(cè)試程序的結(jié)果進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯錯(cuò)誤的查找與定位,并對(duì)IP核源文件進(jìn)行修改。





值得注意的是,雖然Modelsim功能強(qiáng)大,可以方便地觀察到任何層次模塊信號(hào)的變化,但是OC8051 IP核的結(jié)構(gòu)和時(shí)序比較復(fù)雜,仍避免不了仿真時(shí)因?yàn)橹虚g信號(hào)多所帶來(lái)的不便。因此,在仿真調(diào)試時(shí)可尋求一些簡(jiǎn)化操作的機(jī)制。考慮到借助數(shù)據(jù)寄存器指針DPTR和累加器A,MOVX指令可以將程序執(zhí)行過(guò)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(duì)容易,因而本文采用了這種機(jī)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(guò)select和write信號(hào)完成對(duì)buff和state的配置,從而完成對(duì)讀寫外部RAM地址addr_out的配置。在Modelsim環(huán)境中,執(zhí)行表1中的代碼1時(shí),發(fā)現(xiàn)addz_out的變化總是比DPTR慢一個(gè)時(shí)鐘周期,因而其執(zhí)行結(jié)果是將5寫入地址為0的外部RAM。造成這種現(xiàn)象的原因是配置buff和state時(shí)采用了always進(jìn)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(gè)8位標(biāo)志寄存器及其控制邏輯組成,用來(lái)收集指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài)。8位寄存器的各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行過(guò)程中自動(dòng)形成,但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變。原設(shè)計(jì)中負(fù)責(zé)解釋傳送指令的邏輯采用if語(yǔ)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(duì)。應(yīng)該將其改為程序狀態(tài)字PSW的高5位地址'OC8051_SFR_B_PSW。

(3)OC8051_alu模塊

該模塊是一個(gè)性能極強(qiáng)的運(yùn)算器,不但可以進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,而且具有數(shù)據(jù)傳送、移位、程序轉(zhuǎn)移等功能。其中,程序轉(zhuǎn)移功能是當(dāng)遇到短轉(zhuǎn)移指令SJMlE’或變址轉(zhuǎn)移指令JZ、CJNE、DJNZ等時(shí),改變程序計(jì)數(shù)器PC的值,對(duì)應(yīng)原設(shè)計(jì)為always進(jìn)程中的'OC8051_ALU_PCS分支。其代碼如下:




輸入src3為PC[15:8],src2為PC[7;0],src1為目標(biāo)轉(zhuǎn)移地址rel。需要注意的是,rel是以立即數(shù)形式存在的,且為補(bǔ)碼格式(補(bǔ)碼數(shù)的加減法運(yùn)算統(tǒng)一為加法運(yùn)算)。若src1=1'b1成立,則rel為一負(fù)數(shù),對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)移指令是往前轉(zhuǎn)移;否則,往后轉(zhuǎn)移。當(dāng)rel為負(fù)數(shù)時(shí),原設(shè)計(jì)僅考慮了:PC[7:0]≥| rel |的情況,其對(duì)目標(biāo)地址{des1,des2}的處理不全面;當(dāng)PC[7:0]<|rel|時(shí),des2=src2+src1為負(fù)數(shù),借位會(huì)對(duì)des1產(chǎn)生影響,因而應(yīng)有des1=src3-8'h1。因此,將該部分代碼修改為:





其中c是借位標(biāo)志位,用來(lái)標(biāo)識(shí)程序轉(zhuǎn)移時(shí)PC[7:0]對(duì)PC[15:8]的影響。

(4)oc8051_decoder模塊

該模塊用于對(duì)指令譯碼。其設(shè)計(jì)思想是,分析當(dāng)前輸入信號(hào)op_in和所處狀態(tài)state,把指令的功能配置為其他模塊的控制信號(hào),并得出下一個(gè)狀態(tài)。因?yàn)楦髦噶畹闹噶钪芷诓煌悦織l指令譯碼執(zhí)行狀態(tài)也各有不同。模塊主體由狀態(tài)機(jī)構(gòu)成,在每個(gè)狀態(tài)下對(duì)狀態(tài)機(jī)不同的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行條件判斷嵌套,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同指令的多路選擇。對(duì)模塊仿真時(shí)發(fā)現(xiàn),執(zhí)行如DJNZ、JB、CLR等指令的結(jié)果不正確,其原因是在某些狀態(tài)下對(duì)某些指令的譯碼有誤,主要表現(xiàn)為配置了錯(cuò)誤的控制信號(hào)。對(duì)模塊修改結(jié)果如表3所列。



            
2.3 仿真結(jié)果

程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式,通常可以分為單步執(zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種。事實(shí)上,2.2小節(jié)中的具體修改方法正是結(jié)合這兩種工作方式實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)是著名的對(duì)稱密鑰分組密碼,由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIPS 46-2定義。基于8051指令系統(tǒng),DES的軟件實(shí)現(xiàn)難度不大,但它是對(duì)OC8051 IP核工作能力的一次綜合檢驗(yàn)。采用DEs標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試向量:

密鑰K=1A624C89520DEC46

明文P=748502CD38451097

密文C=DD0CFEB783CF3FDE

結(jié)合圖2所示的仿真調(diào)試方案,Modelsim環(huán)境中OC8051執(zhí)行DES的仿真結(jié)果如圖3所示。





3 基于FPGA的下載測(cè)試

利用FPGA對(duì)其功能進(jìn)行了驗(yàn)證。選用Altera公司的EP2C35F672C6型號(hào)FPGA開發(fā)板,含有33 216個(gè)邏輯單元(LE)、豐富的存儲(chǔ)器(RAM)和4個(gè)鎖相環(huán)(PLL)。采用QuartusII軟件,OC8051 IP核綜合后占用3 917個(gè)邏輯單元,時(shí)鐘頻率最高達(dá)到30.81 MHz,F(xiàn)PGA測(cè)試的實(shí)際頻率為27 MHz。

利用QuartusII對(duì)OC8051 IP核綜合、布局布線后,采用JTAG方式將配置文件下載至FPGA中,測(cè)試程序仍采用DES算法程序。In-System Memory ContentEditor是QuartusII提供的一個(gè)可在線操作FPGA片上RAM內(nèi)容的工具,通過(guò)JTAG方式,用戶可以查看和修改RAM中的內(nèi)容。如果用戶設(shè)計(jì)對(duì)RAM中的內(nèi)容進(jìn)行了修改,需要查看修改后的結(jié)果是否為所期望的,則使用該工具最為方便。OC8051 IP核外部RAM中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)該工具方便地操作,所以本文對(duì)DES測(cè)試向量的輸入和輸出都是通過(guò)它來(lái)完成的,如圖4所示。





FPGA下載測(cè)試結(jié)果表明,OC8051工作正常,與仿真結(jié)果一樣,測(cè)試程序運(yùn)行正確。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種OC8051 IP核的仿真測(cè)試方案。該方案給出了查找與定位IP核中邏輯錯(cuò)誤的方法,并詳細(xì)介紹了各種錯(cuò)誤的修改方法。測(cè)試結(jié)果表明,OC8051工作正常,已經(jīng)初步具備了微控制器的功能,可以被運(yùn)用于實(shí)際的工程開發(fā)中。
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