8位RISC MCU IP软核仿真的新方法

随着集成电路产业的发展，SoC系统已经成为IC产业的主流。微控制器（MCU）是SoC系统的核心模块，由于8位微控制器具有指令简单灵活、规模小、速度快的特点，因此广泛应用于SoC系统中。

　　本文所要验证的8位RISC MCU IP核是与Microchip公司的8位MCU指令集完全兼容的IP核，采用哈佛总线结构，地址总线和数据总线分开，程序和数据分别存储在程序存储器和数据存储器中；采用两级流水线设计，共有33条指令，指令宽度为12位，PC宽度为11位，可寻址2KB[1]。除了部分条件测试指令和跳转指令为双周期外，其他所有指令都可以在一个指令周期完成。

　　1 MCU的结构分析

　　该MCU核没有内部程序存储器，顶层划分为控制部分和数据通路两部分，细化后的结构如图1所示。

图1 MCU结构细化图

　　(1)控制部分由节拍发生器模块、看门狗模块和复位逻辑模块组成。
 
　　(2)数据通路由程序计数器（PC）、堆栈、指令寄存器(IR)、指令译码器、专用寄存器、通用寄存器、数据选择器、ALU、IO端口模块等组成。

　　设计的具体实现不是本文的重点，因此不对整体设计实现作出详细介绍。鉴于流水线和跳转指令的实现是RISC MCU设计和仿真中的重点和难点，下文详细介绍流水线和跳转指令的实现原理。如图2所示，一条指令的执行由Q1、Q2、Q3、Q4这4个时钟节拍来完成，在当前指令执行周期中，PC值在Q1节拍有效时加1，Q4节拍把下一条指令取出到指令寄存器，准备让MCU在下一个指令周期执行，从而实现了流水线的操作。

图2 两级流水线的实现

　　若当前执行的指令为跳转指令，如子程序调用指令CALL（假设CALL指令地址为PC1）执行时，CALL指令的下一条指令ROM[PC1+1]需要在程序返回时才能执行，但此时PC指针已经指向下一条指令，为了避免流水线遭到破坏，Q4取指时要用空操作指令（NOP）屏蔽掉下一条指令[2]，PC值在下一个指令周期的Q1有效时更改为子程序的地址用于调用子程序，同时将当前PC（PC1+1）值压入堆栈。子程序返回指令RETLW执行时与CALL的执行类似，不同之处是PC值在下一个指令周期的Q1有效时置为堆栈所存地址（PC1+1）跳回主程序。由上可知跳转指令的执行由当前指令加一条NOP指令来完成，需要两个指令周期来实现。

　　2 仿真

　　IC设计流程中，仿真主要包括功能验证和后仿真两个部分。功能验证又称为前仿真，用来验证RTL级设计的功能是否正确；在后仿真中，布局布线的时延反标到设计中去，使仿真既包含器件延时，又包含布局布线后线延时信息，这种仿真能较好地反映芯片的实际工作情况[3]。以下的验证方法同时适用于功能验证和后仿真。

　　进行仿真前，首先需要建立系统的仿真平台，仿真平台采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)组成的体系。TESTBENCH对DUT施加激励并检查验证结果的正确性，DUT是待测设计。由于本文设计的MCU核内部没有程序存储器，因此在建立仿真平台时，需要在IP核外挂一个虚拟程序存储器模块，本文中DUT由将要进行验证的MCU IP核的RTL模型或时序模型和虚拟程序存储器模块组成，如图3所示。仿真时程序存储器根据设计模型输出的地址信号给出相应指令，该程序存储器采用黑盒子的方式进行设计，用RTL对其外部接口建模，编译时通过程序初始化文件rom.dat对其进行初始化。

图3 仿真平台

　　建立仿真平台后，本文采用不同的指令以及指令组合对系统进行测试。虽然该MCU采用RISC指令集，只有33条指令。但该MCU IP核具有12位的指令宽度，并且不同的指令类型的指令格式也不相同，因此编写测试指令也是一项非常复杂繁琐的工作，需要耗费大量的时间，并且很容易由于人为原因出现错误的指令编码，最终导致错误的仿真结果。为了解决这一问题，本文采用汇编语言来编写测试指令，经过汇编程序仿真器仿真无误后[4]，再由汇编器编译生成HEX文件，然后由该HEX文件转化为仿真需要的ROM文件，避免了人为原因导致的错误指令编码，并且大大加快了测试文件的生成。

　　本文使用Microchip的PIC系列汇编器MPASM汇编生成HEX文件rom.hex，HEX文件由一条或多条记录组成，每行是一条16进制表示的记录。通过分析HEX文件的格式，可以通过转化HEX文件中的记录得到所需的ROM文件。本文使用VC设计了转化程序HEX2ROM，用来完成HEX文件到ROM文件的自动转化，rom.hex文件经程序转化后生成rom.dat。仿真时在测试文件中读入rom.dat完成对虚拟程序存储器初始化，模拟程序存储器模块对MCU核进行验证。

 　　下面使用该方法对跳转指令CALL、RETLW进行验证，其他指令的验证方法与其类似，不再赘述。首先编写一段验证CALL、RETLW的汇编程序

　　TESTCALL.ASM。
            …
       ORG  100H
T_CALL CALL  DLY
       MOVLW 00H
…
       ORG  000H         
DLY  RRF  6
       RETLW 0
           …

　　然后使用汇编器MPASM对该程序进行编译，程序的编译后的HEX文件以及转化后的ROM文件如表1所示。其中326代表的是RRF，800代表的是RETLW，900代表的是CALL DLY，C00代表的是MOVLW 00H。

　　最后把ROM文件读入验证平台初始化虚拟程序存储器模块，开始进行仿真，图4是该测试程序在Modelsim中进行仿真的仿真波形，可以看到当测试程序执行到CALL指令时，在CALL指令后插入了一个空操作指令，同时将PC置为被调用的子程序DLY的起始地址（000）。然后在下一个指令周期开始执行DLY子程序。同样测试程序执行到RETLW时，在RETLW后插入了一个空操作指令，同时将PC恢复为CALL指令的下一条指令（C00）的地址（101）。仿真结果与跳转指令的设计要求相符。

图4 跳转指令CALL、RETLW仿真波形图

　　3 结束语

　　本文提出的建立虚拟指令存储器模块对MCU IP核仿真的方案和自动生成指令测试文件的方法，大大提高了MCU IP核仿真和验证的效率。此方法不仅对本文中MCU IP核的仿真和验证有效，也可用于同类中其它IP核的仿真和验证。例如当对MCU进行升级设计、扩展寻址范围或指令宽度时，只要修改仿真文件和转化程序的相关参数即可。

　　参考文献

1 Microchip Technology Inc.. PIC 16c5x Datasheet[Z]. 1998.
2 徐  欣, 于红旗, 易  凡, 等. 基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.
3 杨  圣. PIC系列单片机的原理与实践[M]. 合肥: 中国科学技术出版社, 2003.
4 刘志碧, 陈  杰, 陈迪平. 适用于RISC CPU 的转移指令的原理及仿真[J]. 半导体技术, 2003, 28(11): 68-70.