在FPGA上对OC8051IP核的修改与测试

引 言
    20世纪80年代初，Intel公司推出了MCS-51单片机，随后Intel以专利转让的形式把8051内核发布给许多半导体厂家，从而出现了许多与MCS-51系统兼容的产品。这些产品与MCS-51的系统结构相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来指代所有具有8051指令系统的单片机。在80C51系列中，OC8051以架构清晰、取指带宽大、时钟效率高等诸多优点受到业内人士的青睐。本文在分析OpenCores网站提供的一款OC8051IP核的基础上，给出了一种仿真调试方案；利用该方案指出了其中若干逻辑错误并对其进行修改，最终完成了修改后IP核的FPGA下载测试。

1 OC8051结构分析
    OpenCores网站提供的OC8051 IP核与8051的系统结构相同，如图1所示。该IP核兼容所有8051指令系统，内部资源包括：8位CPU，寻址能力达2×64K；4 KB的ROM和128字节的RAM；4个8位I／O口；16位内部定时／计数器；5个中断源和2个中断优先级。采用Verilog语言对其各个模块进行描述。系统主要模块及其功能说明如表1所列。不同模块对应的源文件均是以模块名称命名的，例如累加器A对应的源文件为oc8051_acc．v。

    虽然上述OC8051 IP核宣称兼容所有8051指令系统，但是实际执行时并非如此。例如在执行表2所列的2组功能相同的代码时，所得到的执行结果并不相同。代码1的执行结果是将5写入地址为0的外部RAM，代码2的执行结果是将5写入地址为4的外部RAM。造成这种现象的原因是，oc8051_ext_addr_sel模块配置写外部RAM地址时延误了一个时钟周期。若要OC8051 IP核与标准8051系统一致，须对源文件中类似的逻辑错误进行修改。

2 OC805 1仿真调试及修改
    对于硬件设计而言，仿真的作用是验证设计结果的逻辑功能是否符合初始规定，如果在这一层次上设计出了问题，那么以后各个层次的工作将完全不确定。由前文可知，OC8051 IP核存在着逻辑错误，所以有必要通过仿真的手段实现错误查找和定位，从而最终完成对逻辑错误的修改。
2．1 仿真调试方案
    OC8051仿真调试方案如图2所示。其原理是：在Keil软件环境中编写测试程序，编译生成．hex文件并将其注入ROM的指令寄存器中。testbench负责产生OC8051工作时钟及控制使能等信号，并将OC8051执行ROM中指令的结果输出到文本／波形文件中。开发人员通过对文本／波形文件和Keil调试工具执行测试程序的结果进行比较，从而实现对逻辑错误的查找与定位，并对IP核源文件进行修改。

    值得注意的是，虽然Modelsim功能强大，可以方便地观察到任何层次模块信号的变化，但是OC8051 IP核的结构和时序比较复杂，仍避免不了仿真时因为中间信号多所带来的不便。因此，在仿真调试时可寻求一些简化操作的机制。考虑到借助数据寄存器指针DPTR和累加器A，MOVX指令可以将程序执行过程中任何寄存器的值输出到外部RAM中，而观察外部RAM中的值相对容易，因而本文采用了这种机制。
2．2 具体修改方法
    (1)oc805 1_ext_addr_sel模块
    读写外部RAM地址可以由DPTR指示，也可以由Ri指示，该模块的主要功能是选择读写外部RAM地址。通过select和write信号完成对buff和state的配置，从而完成对读写外部RAM地址addr_out的配置。在Modelsim环境中，执行表1中的代码1时，发现addz_out的变化总是比DPTR慢一个时钟周期，因而其执行结果是将5写入地址为0的外部RAM。造成这种现象的原因是配置buff和state时采用了always进程，本文将该部分代码修改为：
    assign state=write；
    asstgn buff=select?{8h00，ri}：{dptr_hi，dptr_lo}；
    (2)oc8051_psw模块
    该模块由一个8位标志寄存器及其控制逻辑组成，用来收集指令执行后的有关状态。8位寄存器的各位状态通常是在指令执行过程中自动形成，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。原设计中负责解释传送指令的逻辑采用if语句：
    if(addr[7：3]=='OC8051_SFR_B_ACC)data_out[addr[2：O]]<=cy_in；
    'OC8051_SFR_B_ACC被定义为累加器A的高5位地址，用在这里显然不对。应该将其改为程序状态字PSW的高5位地址'OC8051_SFR_B_PSW。
    (3)oc8051_alu模块
    该模块是一个性能极强的运算器，不但可以进行四则运算和逻辑运算，而且具有数据传送、移位、程序转移等功能。其中，程序转移功能是当遇到短转移指令SJMlE’或变址转移指令JZ、CJNE、DJNZ等时，改变程序计数器PC的值，对应原设计为always进程中的'OC8051_ALU_PCS分支。其代码如下：

    输入src3为PC[15：8]，src2为PC[7；0]，src1为目标转移地址rel。需要注意的是，rel是以立即数形式存在的，且为补码格式(补码数的加减法运算统一为加法运算)。若src1[7]=1'b1成立，则rel为一负数，对应转移指令是往前转移；否则，往后转移。当rel为负数时，原设计仅考虑了：PC[7：0]≥| rel |的情况，其对目标地址{des1，des2}的处理不全面；当PC[7：0]<|rel|时，des2=src2+src1为负数，借位会对des1产生影响，因而应有des1=src3-8'h1。因此，将该部分代码修改为：

    其中c是借位标志位，用来标识程序转移时PC[7：0]对PC[15：8]的影响。

    (4)oc8051_decoder模块
    该模块用于对指令译码。其设计思想是，分析当前输入信号op_in和所处状态state，把指令的功能配置为其他模块的控制信号，并得出下一个状态。因为各指令的指令周期不同，所以每条指令译码执行状态也各有不同。模块主体由状态机构成，在每个状态下对状态机不同的执行状态进行条件判断嵌套，以此实现对不同指令的多路选择。对模块仿真时发现，执行如DJNZ、JB、CLR等指令的结果不正确，其原因是在某些状态下对某些指令的译码有误，主要表现为配置了错误的控制信号。对模块修改结果如表3所列。

2．3 仿真结果
    程序执行方式是单片机的基本工作方式，通常可以分为单步执行和连续执行两种。事实上，2．2小节中的具体修改方法正是结合这两种工作方式实现的。数据加密标准(DES)是著名的对称密钥分组密码，由美国标准FIPS 46-2定义。基于8051指令系统，DES的软件实现难度不大，但它是对OC8051 IP核工作能力的一次综合检验。采用DEs标准测试向量：
    密钥K=1A624C89520DEC46
    明文P=748502CD38451097
    密文C=DD0CFEB783CF3FDE
    结合图2所示的仿真调试方案，Modelsim环境中OC8051执行DES的仿真结果如图3所示。

3 基于FPGA的下载测试
    利用FPGA对其功能进行了验证。选用Altera公司的EP2C35F672C6型号FPGA开发板，含有33 216个逻辑单元(LE)、丰富的存储器(RAM)和4个锁相环(PLL)。采用QuartusII软件，OC8051 IP核综合后占用3 917个逻辑单元，时钟频率最高达到30．81 MHz，FPGA测试的实际频率为27 MHz。
    利用QuartusII对OC8051 IP核综合、布局布线后，采用JTAG方式将配置文件下载至FPGA中，测试程序仍采用DES算法程序。In-System Memory ContentEditor是QuartusII提供的一个可在线操作FPGA片上RAM内容的工具，通过JTAG方式，用户可以查看和修改RAM中的内容。如果用户设计对RAM中的内容进行了修改，需要查看修改后的结果是否为所期望的，则使用该工具最为方便。OC8051 IP核外部RAM中的数据可以通过该工具方便地操作，所以本文对DES测试向量的输入和输出都是通过它来完成的，如图4所示。

    FPGA下载测试结果表明，OC8051工作正常，与仿真结果一样，测试程序运行正确。

结 语
    本文介绍了一种OC8051 IP核的仿真测试方案。该方案给出了查找与定位IP核中逻辑错误的方法，并详细介绍了各种错误的修改方法。测试结果表明，OC8051工作正常，已经初步具备了微控制器的功能，可以被运用于实际的工程开发中。