一種基于MCU內部Flash的在線仿真器設計方法

摘要：提出了一種基于MCU內部Flash的仿真器設計方法，并完成了設計和仿真。

關鍵詞：微控制器 在線仿真 開發系統 Flash SRAM

由于市場對MCU功能的要求總是不斷變化和升級，MCU應用的領域也不斷擴展， 因此往往需要對最初的設計進行修改。Flash MCU與以往OTP/MASK MCU相比，最大的優點就在于可進行高達上萬次的擦寫操作，順應了MCU功能不斷修改的需求；另一方面，Flash MCU市場價格也在不斷下降。因此，許多OEM已將Flash MCU用于產品的批量生產。對于Flash MCU,基于內部Flash的在線仿真器更接近于程序真實的運行特性，程序調試的效果更好，效率更高。實際上，Flash MCU工作時Flash的延時、讀寫時充等特性是非常，程序存儲在MCU外部仿真板上的SRAM中，由額外的硬件邏輯來模擬Flash的這些特性是費時低 效的；同時將Flash和MCU內嵌的其他類型存儲器如SRAM、ROM等區分開來也是十分重要的。如果在程序的調試階段就可以反映出這特性，有且于實現 程序從仿真器到商用MCU芯片的無縫轉移。

1 關于Flash MCU

Flash MCU的構成如圖1所示，主要由CPU核、Flash IP及其控制模塊、SRAM IP及基控制模塊、WatchDog、PMU（Power Manage Unit，功耗管理單元）、I/O端口以及ISP在線編程接口等組成。不同功能的Flash MCU還包含一些各自獨特的應用模塊單元，如用于尋呼的Flash MCU所包含的解碼模塊。對于用來構成在線仿真器的Flash MCU還可能包括仿真接口單元。本文在討論Flash MCU的在線仿真時，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。

Flash存儲器幾乎擁有現今追求個性化的用戶所需要的所有優點：掉電數據不丟失、快速的數據存取時間、電可擦除、容量大、在線（系統）可編程、價格低廉以及足夠多的擦寫次數的高可靠性等，已成為新一代嵌入式應用的首選存儲器。與Flash MCU相比，MASK（掩膜）MCU盡管在大指生產時仍具備一定價格優勢，但其升級不便的缺點，隨著今后Flash成本的進步降低和MCU功能需求的逐漸增多，將表現得更為顯著。

2 基于外部SRAM的MCU在線仿真器

MCU仿真器的一種常見做法是，將用戶的待調試程序（以下簡稱用戶程序）存儲在 MCU外部仿真板的SRAM（以下簡稱外部SRAM）中，在bond-out MCU的外部結構仿真監控硬件（以下簡稱外部仿真邏輯），通過監視和控制仿真接口信號即bond-out的信號，來獲取MCU的狀態，是指將MCU內部的 某種信號連接到封裝的管腳上，使得外部仿真邏輯可以監視和控制MCU內部的狀態。這種非商用芯片專用于構成在線仿真器，當用戶程序在仿真器中調試完成后， 編程到商用MCU芯片中，應用到用戶系統。在商用MCU中，這些仿真接口信號不會出現在芯片封裝的管腳上。

在Flash MCU沒有被廣泛應用之前，仿真器設計公司通常將用戶程序和監控程序都存儲在外部SRAM中，這種做法基本上可以反映SRAM MCU真實的運行情況，對用戶程序的調度效果影響不大。但是對于Flash MCU而言，則存在一定的問題。畢競SRAM和Flash在工藝和讀寫時序上相去甚遠，CPU運行存儲在SRAM和Flash中的程序，情況是完全不同 的。有可能出現程序存儲的仿真器的外部SRAM中運行良好，但是編程到商用MCU中工作起來卻不正常。隨著Flash MCU在 MCU市場中的比重越來越大，這一問題顯得越來越突出，有必要加以重視。

本文介紹的Flash MCU仿真器的設計方法，幾乎不增加MCU的仿真接口信號和芯片設計的復雜程度，就可以接近程序在商用MCU中的運行情況，實現用戶程序從仿真器到商用MCU的良好轉移。

3 基于MCU內部Flash的在線仿真器的一種設計方法

圖2是Flash MCU仿真器系統構成示意圖，其中的虛線接口信號是MCU的仿真接口，通常包括仿真使能信號，bond-out MCU中的CPU的地址、數據、讀/寫和取指等信號，以及少數幾個用于仿真的控制信號。仿真接口是Flash MCU與外部仿真邏輯之間的橋梁，使得外部仿真邏輯能夠監控MCU的內部狀態。

3.1 仿真器的工作原理

仿真器復位后，CPU開始運行存儲在MCU內部Flash(以下簡稱內部 Flash)中的用戶程序，外部仿真邏輯實時監測仿真接口信號，取得當前CPU運行指令的地址，判斷是否斷點。一旦遇到斷點，外部仿真邏輯停止用戶程序的 運行，切換程序運行的地址空間，開始運行存儲在外部SRA模塊的監控程序。監控程序取得MCU的當前狀態，并根據軟件的調試要求，改變MCU內部的一個或 多個寄存器的值，控制MCU的下一步運行。當監控程序完成使命，需要將程序的運行空間切換回用戶程序空間，CPU取指從外部回到內部，繼續運行用戶程序。 在用戶程序運行過程中，軟件通過并口發送的調試指令可以控制外部仿真邏輯，隨時打斷程序運行，或者單步調試，工作的過程與斷點相心。斷點、單步及軟件中斷 在下文中斷稱為程序中斷事件。

仿真器工作時，CPU的取指空間需要在內外存儲器之間反復切換。CPU地址空間劃分示意圖如圖3所示?？傮w上，仿真器的工作受圖4所示的狀態機控制。該狀態機共有四個狀態：

·用戶程序運行態（簡稱用戶態）

仿真器復位后，處在運行用戶程序的狀態。在該狀態下，CPU運行存儲在內部Flash中的用戶程序；外部仿真邏輯實時監測仿真接口，等待程序中斷事件的發生，進入下一狀態-跳轉態。
審核編輯：彭菁