專利名稱：一種仿真器芯片及其仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微控制器領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種仿真器芯片及其仿真方法。
背景技術(shù)：
隨著深亞微米CMOS(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)集成電路生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，目前技術(shù)上已經(jīng)可以把復(fù)雜的微控制器內(nèi)核集成在一塊芯片上，同時(shí)留有足夠的硅片面積用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的存儲(chǔ)器和外設(shè)邏輯，過去用于高端32位和64位CPU的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)架現(xiàn)在已經(jīng)能夠有效的用于低價(jià)微控制器系統(tǒng)。利用這些功能強(qiáng)大而且便宜的微控制器，全系統(tǒng)的集成度不斷提高。硬件結(jié)構(gòu)可執(zhí)行更復(fù)雜高效的程序，集成更多的硬件功能。
近年來，微控制器的開發(fā)和應(yīng)用獲得了廣泛的普及，而微控制器的開發(fā)和應(yīng)用離不開基于該微控制器的仿真器。雖然仿真器應(yīng)該具有什么特征還有不同的看法，但是各種微控制器的仿真器都有一些特征(1)必須基于一定的微控制器構(gòu)架設(shè)計(jì)的；(2)具備微控制器芯片能夠?qū)崿F(xiàn)的全部功能；(3)具備一定的微控制器的實(shí)時(shí)調(diào)試、仿真功能。
微控制器的仿真器芯片的這些特征也帶來了一些本質(zhì)的缺陷和不足(1)仿真器芯片的構(gòu)架是基于一定構(gòu)架的微控制器；(2)仿真器的使用需要一定的軟件硬件的支持；(3)仿真器芯片面積大于微控制器芯片面積，仿真器芯片的管腳數(shù)目大于微控制器芯片的管腳數(shù)目；(4)仿真器主要用于調(diào)試和仿真，所以芯片的量產(chǎn)不會(huì)很大。
現(xiàn)在有很多公司生產(chǎn)微控制器都有仿真器，如微芯片公司(Microchip)、摩托羅拉(Motorola)、日本電氣(NEC)、日立(Hitachi)、盛群(Holtek)等。雖然這些公司的微控制器基本上都有仿真器，功能也是各式各樣，但是這些仿真器都是基于特定的微控制器構(gòu)架，所以不具備可移植性。
快速設(shè)計(jì)周期在微控制器的仿真器芯片系統(tǒng)開發(fā)中是非常重要的，而且軟件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里有著不容置疑的重要地位。仿真器系統(tǒng)的使用跟軟件編程與硬件設(shè)計(jì)之間的規(guī)格接口密切相關(guān)，這個(gè)接口就是微控制器的指令集。通過外部并行輸入指令，使得芯片能夠正常工作和仿真調(diào)試模式。
因此就需要開發(fā)一種具備可移植性較佳，同時(shí)芯片工作模式和調(diào)試模式比較簡(jiǎn)單的仿真器芯片系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿真器芯片，克服了現(xiàn)有技術(shù)仿真器結(jié)構(gòu)以及工作方式復(fù)雜，可移植性差的不足，較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了對(duì)微控制器的實(shí)時(shí)調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的一種仿真器芯片，包括微控制器內(nèi)部模塊，與之相連的內(nèi)部總線，該仿真器芯片還設(shè)有外部總線將外圍電路與微控制器內(nèi)部模塊相連，該外部總線和內(nèi)部總線與模式切換裝置相連，該模式切換裝置可切換外部總線以及內(nèi)部總線與微控制器內(nèi)部模塊的連接。
其中，所述的模式切換裝置包括多路器和控制該多路器的選擇器，多路器的輸入端分別連接內(nèi)部總線和外部總線，多路器的輸出端連接微控制器內(nèi)部模塊。選擇器由D觸發(fā)器、RS觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器組成，D觸發(fā)輸出分別與計(jì)數(shù)器和RS觸發(fā)器相連，計(jì)數(shù)器輸出與RS觸發(fā)器相連，選擇器信號(hào)由D觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器輸入端輸入；由RS觸發(fā)器的輸出端輸出。選擇器控制微控制器內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器使微控制器處于待機(jī)狀態(tài)或工作狀態(tài)。
所述的外圍電路是實(shí)現(xiàn)仿真器的暫停、斷點(diǎn)、單步運(yùn)行的電路，還包括譯碼器以擴(kuò)展片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種不同型號(hào)的微控制器的仿真器功能，以及實(shí)現(xiàn)多套指令集和不同功能模塊組合。外圍電路通過外部總線監(jiān)控微控制器運(yùn)行狀態(tài)并保存數(shù)據(jù)。
所述的內(nèi)部總線分別為內(nèi)部地址、數(shù)據(jù)、控制總線；外部總線分別為外部地址、數(shù)據(jù)、控制總線。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種仿真方法，以較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的實(shí)時(shí)調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供了一種仿真器芯片的仿真方法，在具有內(nèi)部總線的微控制器上設(shè)置外部總線將外圍電路與微控制器內(nèi)部模塊相連；使用內(nèi)部總線時(shí)，仿真器工作在正常模式，其功能等同微控制器；使用外部總線時(shí)，仿真器工作在調(diào)試模式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。
其中，所述的調(diào)試功能包括斷點(diǎn)運(yùn)行，單步運(yùn)行，停止運(yùn)行等功能。在調(diào)試時(shí)，可以對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取、修改儲(chǔ)器值。內(nèi)部存儲(chǔ)器包括寄存器和SRAM(Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器)存儲(chǔ)單元。
該方法通過外部總線了解微控制器運(yùn)行狀態(tài)及修改微控制器的運(yùn)行狀態(tài)。外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，此時(shí)微控制器正在執(zhí)行單周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令周期完成后進(jìn)入調(diào)試模式。通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在執(zhí)行雙周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令執(zhí)行完成后進(jìn)入調(diào)試模式。通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在響應(yīng)中斷，微控制器將相應(yīng)中斷完畢后進(jìn)入調(diào)試模式。
本發(fā)明的仿真器是具備仿真調(diào)試的斷點(diǎn)、單步、停止運(yùn)行等功能，且可移植性較佳，可同時(shí)滿足同一系列不同產(chǎn)品的仿真調(diào)試條件。較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了對(duì)微控制器的實(shí)時(shí)調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真。本發(fā)明采用雙總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了仿真器芯片結(jié)構(gòu)，并且也不需要較復(fù)雜的軟件支持，減低了成本，對(duì)于芯片的開發(fā)和應(yīng)用具有很高的使用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的仿真器芯片系統(tǒng)使用兩組總線的示意圖。
圖2是本發(fā)明的譯碼器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是調(diào)試模式進(jìn)入/退出實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
圖4是數(shù)據(jù)讀出的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
圖5是數(shù)據(jù)寫入的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種微控制器的仿真器芯片構(gòu)架發(fā)明，采用雙總線結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線用于正常微控制器工作模式，外部總線用于微控制器的調(diào)試模式。可以通過簡(jiǎn)單外圍電路配合實(shí)現(xiàn)仿真器的連續(xù)運(yùn)行、暫停、斷點(diǎn)、單步運(yùn)行等功能，連續(xù)運(yùn)行時(shí)，其功能等同于微控制器芯片，該仿真器可以實(shí)現(xiàn)同一系列不同型號(hào)的微控制器產(chǎn)品的仿真功能，可以支持多種不同型號(hào)的微控制器，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。
本發(fā)明的雙總線分別為內(nèi)部地址、數(shù)據(jù)、控制總線和外部地址、數(shù)據(jù)、控制總線。使用內(nèi)部總線時(shí)，仿真器工作在正常模式，其功能等同微控制器；使用外部總線時(shí)，仿真器工作在調(diào)試模式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能，包括斷點(diǎn)運(yùn)行，單步運(yùn)行，停止運(yùn)行等功能。在調(diào)試仿真器時(shí)，可以對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取存、修改儲(chǔ)器值，內(nèi)部存儲(chǔ)器包括寄存器和SRAM存儲(chǔ)單元。實(shí)時(shí)停止、進(jìn)入斷點(diǎn)停止、單步停止運(yùn)行時(shí)，芯片進(jìn)入調(diào)試模式，可以對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的讀寫操作，對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC的修改及讀出等，用戶可通過外部總線了解微控制器運(yùn)行狀態(tài)及修改微控制器的運(yùn)行狀態(tài)。
用戶通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，此時(shí)微控制器正在執(zhí)行單周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令周期完成后進(jìn)入調(diào)試模式。
用戶通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在執(zhí)行雙周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令執(zhí)行完成后進(jìn)入調(diào)試模式。
用戶通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在響應(yīng)中斷，微控制器將相應(yīng)中斷完畢后進(jìn)入調(diào)試模式。
本發(fā)明可應(yīng)用于各種類型的微控制器的仿真系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)，為說明簡(jiǎn)單起見，在下面的實(shí)施例中以8位RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))為例來介紹本發(fā)明。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述以8位RISC為例的本發(fā)明的微控制器的仿真器芯片系統(tǒng)。
首先請(qǐng)參閱圖1，圖1是仿真器構(gòu)架使用兩組總線的示意圖，內(nèi)部總線1包括內(nèi)部數(shù)據(jù)總線3、內(nèi)部地址總線4和內(nèi)部控制總線5，外部總線2包括外部數(shù)據(jù)總線6、外部地址總線7和外部控制總線8。這些總線都接到微控制器的各個(gè)模塊，分別供正常工作模式和調(diào)試模式使用。微控制器包括內(nèi)部總線1和微控制器內(nèi)部各模塊一起組成微控制器，可以連續(xù)運(yùn)行，其功能等同于微控制器芯片。而外部總線6與微控制器內(nèi)部各模塊相連構(gòu)成仿真器，實(shí)現(xiàn)包括斷點(diǎn)運(yùn)行，單步運(yùn)行，停止運(yùn)行等調(diào)試功能。
如圖2是本發(fā)明的譯碼器結(jié)構(gòu)示意圖，由于微控制器的仿真器是基于一定微控制器構(gòu)架，所以該微控制器構(gòu)架的一系列產(chǎn)品具有很多共性，但同時(shí)也具有一定的差異性。如圖2中的實(shí)施例的仿真器可以實(shí)現(xiàn)同一系列的四種不同型號(hào)的微控制器的仿真器功能，同時(shí)根據(jù)用戶的需求可以進(jìn)行擴(kuò)展。片選信號(hào)11、12通過2到4譯碼器，輸出譯碼信號(hào)13、14、15、16，分別對(duì)應(yīng)不同型號(hào)微控制器的使能信號(hào)，這些信號(hào)選擇屬于該微控制器的模塊。選擇好所有的模塊以后，各個(gè)模塊通過內(nèi)部總線和外部總線將微控制器的仿真器連接，使其形成特定型號(hào)的微控制器仿真器構(gòu)架。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中還可以通過其他類型的譯碼器，使得本發(fā)明仿真器可以對(duì)應(yīng)更多種類或型號(hào)的微控制器。
如圖3是調(diào)試模式進(jìn)入/退出實(shí)現(xiàn)原理示意圖，本實(shí)施例的模式切換裝置中的選擇器由一個(gè)D觸發(fā)器27、RS觸發(fā)器29和計(jì)數(shù)器28組成，其中D觸發(fā)器27有三個(gè)輸入端口，即時(shí)鐘端口CK、數(shù)據(jù)端口D、清零端口C，其輸出端口Q分別與計(jì)數(shù)器28和RS觸發(fā)器29的復(fù)位端口R相連；計(jì)數(shù)器28與RS觸發(fā)器29的設(shè)置端口S相連；RS觸發(fā)器29具有輸出端口Q。當(dāng)調(diào)試模式請(qǐng)求信號(hào)22為高電平時(shí)，輸入到D觸發(fā)器27時(shí)，經(jīng)過時(shí)鐘信號(hào)23同步(時(shí)鐘信號(hào)23同步保證了當(dāng)前指令執(zhí)行完成的時(shí)鐘信號(hào))，輸出調(diào)試模式使能信號(hào)25為高電平。調(diào)試模式使能信號(hào)25輸入到RS觸發(fā)器29，使得RS觸發(fā)器29的輸出信號(hào)26為低電平，輸出信號(hào)26為控制微控制器內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器停止運(yùn)行的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了微控制器處于待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)調(diào)試模式使能信號(hào)25標(biāo)志目前處于調(diào)試模式。而當(dāng)調(diào)試模式請(qǐng)求信號(hào)22從高電平變?yōu)榈碗娖?，結(jié)束請(qǐng)求，則調(diào)試模式使能信號(hào)25信號(hào)馬上變?yōu)榈碗娖?。由于C端信號(hào)24是調(diào)試模式使能信號(hào)25的反信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)，所以此時(shí)C端信號(hào)24將從低電平變?yōu)楦唠娖?，使得D觸發(fā)器27輸出低電平。當(dāng)D觸發(fā)器27輸出低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器28由輸入時(shí)鐘21而開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到一定值時(shí)，觸發(fā)RS觸發(fā)器29使輸出信號(hào)26變?yōu)楦唠娖?，恢?fù)微控制器正常工作模式。
如圖4是數(shù)據(jù)讀出的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。每次仿真器進(jìn)入調(diào)試模式，包括斷點(diǎn)、單步、停止運(yùn)行模式，仿真器將實(shí)時(shí)讀取微控制器內(nèi)部工作寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、堆棧內(nèi)容。寄存器讀取的使能信號(hào)，即控制總線，通過多路選擇器進(jìn)行選擇，將依次輸出各寄存器讀取的使能信號(hào)，并依次讀取寄存器值。讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，該使能信號(hào)還需要配合地址總線上的尋址信號(hào)，才能一次讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的值。
在圖4中，信號(hào)31為各寄存器讀取使能信號(hào)，信號(hào)32為使能信號(hào)的選通信號(hào)，信號(hào)33為讀取信號(hào)的輸出，信號(hào)34為讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址信號(hào)，信號(hào)35為寄存器值輸出到外部數(shù)據(jù)總線的輸出信號(hào)。
如圖5是數(shù)據(jù)寫入的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。在調(diào)試模式下調(diào)試，需要修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器值或者修改PC值，可以通過外部數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線將所需要修改寄存器值。進(jìn)入調(diào)試模式，調(diào)試模式控制信號(hào)51通過選擇器選取修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使能信號(hào)52或者選取修改PC使能信號(hào)53。如果修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，那么通過多路器使能外部控制總線8，同時(shí)禁止內(nèi)部控制總線5，輸出控制總線47；使能外部數(shù)據(jù)總線6，禁止內(nèi)部數(shù)據(jù)總線3，輸出數(shù)據(jù)總線48；使能外部地址總線7，禁止內(nèi)部地址總線4，輸出地址總線49。修改PC值的外部數(shù)據(jù)通過44的低5位和外部地址總線46合并為外部數(shù)據(jù)56，通過多路器的選通外部數(shù)據(jù)56，禁止內(nèi)部數(shù)據(jù)50，輸出數(shù)據(jù)54寫入緩沖器后，將緩沖后數(shù)據(jù)55寫入PC寄存器。這樣就可以通過外部總線來實(shí)現(xiàn)修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器值或者修改PC值。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的幾個(gè)較佳實(shí)施例，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。任何對(duì)本發(fā)明的裝置作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的部件的替換、組合、分立，以及對(duì)本發(fā)明實(shí)施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種仿真器芯片，包括微控制器內(nèi)部模塊，與之相連的內(nèi)部總線，其特征在于該仿真器芯片還設(shè)有外部總線將外圍電路與微控制器內(nèi)部模塊相連，該外部總線和內(nèi)部總線與模式切換裝置相連，該模式切換裝置可切換外部總線以及內(nèi)部總線與微控制器內(nèi)部模塊的連接。
2.如權(quán)利要求1所述的仿真器芯片，其特征在于所述的模式切換裝置包括多路器和控制該多路器的選擇器，多路器的輸入端分別連接內(nèi)部總線和外部總線，多路器的輸出端連接微控制器內(nèi)部模塊。
3.如權(quán)利要求2所述的仿真器芯片，其特征在于所述的選擇器由D觸發(fā)器、RS觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器組成，D觸發(fā)輸出分別與計(jì)數(shù)器和RS觸發(fā)器相連，計(jì)數(shù)器輸出與RS觸發(fā)器相連，選擇器信號(hào)由D觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器輸入端輸入；由RS觸發(fā)器的輸出端輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的仿真器芯片，其特征在于所述的選擇器控制微控制器內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器使微控制器處于待機(jī)狀態(tài)或工作狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的仿真器芯片，其特征在于所述的外圍電路包括譯碼器以擴(kuò)展片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種不同型號(hào)的微控制器的仿真器功能。
6.如權(quán)利要求1所述的仿真器芯片，其特征在于所述的外圍電路包括譯碼器以擴(kuò)展片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多套指令集和不同功能模塊組合。
7.如權(quán)利要求1所述的仿真器芯片，其特征在于所述的外圍電路通過外部總線監(jiān)控微控制器運(yùn)行狀態(tài)并保存數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1所述的仿真器芯片，其特征在于所述的內(nèi)部總線分別為內(nèi)部地址、數(shù)據(jù)、控制總線；外部總線分別為外部地址、數(shù)據(jù)、控制總線。
9.一種仿真器芯片的仿真方法，在具有內(nèi)部總線的微控制器上設(shè)置外部總線將外圍電路與微控制器內(nèi)部模塊相連；使用內(nèi)部總線時(shí)，仿真器工作在正常模式，其功能等同微控制器；使用外部總線時(shí)，仿真器工作在調(diào)試模式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。
10.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于所述的調(diào)試功能包括斷點(diǎn)運(yùn)行，單步運(yùn)行，停止運(yùn)行等功能。
11.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于在調(diào)試時(shí)，可以對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取、修改存儲(chǔ)器值。
12.如權(quán)利要求11所述的仿真方法，其特征在于內(nèi)部存儲(chǔ)器包括寄存器和SRAM存儲(chǔ)單元。
13.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于可通過外部總線了解微控制器運(yùn)行狀態(tài)及修改微控制器的運(yùn)行狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，此時(shí)微控制器正在執(zhí)行單周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令周期完成后進(jìn)入調(diào)試模式。
15.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在執(zhí)行雙周期指令，微控制器將在當(dāng)前指令執(zhí)行完成后進(jìn)入調(diào)試模式。
16.如權(quán)利要求9所述的仿真方法，其特征在于通過外部總線要求仿真器芯片停止運(yùn)行進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，微控制器正在響應(yīng)中斷，微控制器將相應(yīng)中斷完畢后進(jìn)入調(diào)試模式。
全文摘要
一種仿真器芯片，包括微控制器內(nèi)部模塊，與之相連的內(nèi)部總線，該仿真器芯片還設(shè)有外部總線將外圍電路與微控制器內(nèi)部模塊相連，該外部總線和內(nèi)部總線與模式切換裝置相連，該模式切換裝置可切換外部總線以及內(nèi)部總線與微控制器內(nèi)部模塊的連接。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的實(shí)時(shí)調(diào)試和實(shí)時(shí)仿真，且可移植性較佳，對(duì)于芯片的開發(fā)和應(yīng)用具有很高的使用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06F11/36GK1737776SQ20051002928
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者潘松, 岳衛(wèi)杰, 陳光勝 申請(qǐng)人:上海海爾集成電路有限公司