专用SoC仿真系统的研究与实现

李长波

(芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241000)

在企业的研发中，经常遇到硬件软件化和软件硬件化的问题。本文论述的是一个硬件软件化的问题，用软件仿真硬件，使用户在软件仿真的环境中完成需要硬件才可以完成的工作。对于各种专用SoC，硬件软件化的平台搭建有较高的技术含量。

1 专用SoC的硬件构成

图1为SoC芯片的构成框图［1］，由图1可以看出，该芯片有十大模块构成，分别是主控MCU、电源、触摸屏、双时钟、UART、SPI、LCD 控制器、FLASH 驱动、I/O口和存储器。专用SoC是针对某一类特定需求而设计。图1所示的IC是为了词典机设计的框架，每一个应用模块都有对应的用途。主控SoC调度所有的模块，而且其中还包含累加器、RAM、各种寄存器等资源。存储器是线性存储器，要求容量大，存放数量庞大的词典数据。双时钟模块要实现高速运算和计时功能，开机时高速运算，关机时保留低速时钟计时;I/O口模块可以外加各种DSP，如语音，也可以设计按键。FLASH驱动用来存放可以被用户修改的数据。LCD控制器外接COG类的LCD 作为显示设备［2］。

图1 SoC的基本构成

2 SoC仿真系统的原理

2.1 主控SoC的仿真模型的建立［3］

SoC内部有4个部分要建立模型:累加器、RAM、FLASH、各类寄存器。根据所仿真的SoC的类型，抽象出它的数据模型，如SoC的位数等。图2是SoC的基本框图，从图2中可以看出，要建立的仿真模型有累加器ACC、寄存器、RAM。寄存器包括SoC各种功能寄存器，如状态寄存器、堆栈寄存器、通用寄存器、特殊寄存器等，并且要清楚每个寄存器每个位的功能。RAM也包含较多的内涵，如全局变量、局部变量、堆栈区以及特殊变量等的仿真，都需要严密的算法，来保证结果的正确。

图2 处理单元的基本构成

2.2 其它模块仿真模型的建立［3］

其它模块包括:触摸屏、双时钟、UART、SPI、LCD控制器、FLASH驱动、I/O口和存储器模块。对于每一个外设，系统都为它定义好数学模型的同时，开一个或多个线程完成对其功能的仿真。图3为触摸屏的仿真流程图，图4为FLASH的仿真流程图。从图3中可以看出，触摸屏要处理单击、双击和拖动三个事件;FLASH要处理扇区读写问题，而且在写的时候，要完成先擦出后写入的功能。其它模块与此类似，不重复叙述。

图3 触摸屏仿真流程图

图4 FLASH读写流程图

2.3 指令仿真模型的建立［3］

指令仿真是系统非常关键的部分，每一条指令按照它对应的时序、操作的寄存器、影响的状态位、影响的堆栈等都要准确仿真(图5)。而且对于指令仿真，不仅要建立单个指令的数据模型，还要建立整个数据指令集合的处理系统。

图5 MCS－51的取指时序

时序对单个指令非常关键，下面以总线数据写为例加以说明。从图5可以看出，每一个时间点要非常准确，系统在进行指令仿真时，必须按时钟准确计算。所以，仿真只能是高速IC仿真低速IC。

图6是SoC主控芯片左移指令的流程图，从图6中可以看出，指令操作就是数据结构的操作，所以，数据结构的定义非常关键。当前芯片的架构主要是ARM和MIPS，而指令集基本使用RISC(Reduced Instruction Set Computing)指令集，所以仿真相对规范。

图6 左移指令流程图

把SoC主芯片的指令全部用程序解释出来之后，这些子模块需要进行管理。本系统建立了一个指针队列加以管理。每个元素的信息如图7所示，其显示了指令集的管理结构。其中指令是一个指针，指向对应的指令子模块，优先级依据RISC指令集提供信息确定，脉冲数是该指令占用多少个脉冲，时间是该指令执行完所消耗的总时间。

图7 指令集管理结构

3 SoC仿真系统的实现

系统使用VC开发平台设计完成，在开发的过程中，大量使用宏定义，有较好的可移植性。

3.1 总体设计

系统划分的模块［4］如图8所示，共分为5大模块，分别是处理器模块、存储器模块、指令模块、外设模块和人机接口模块。处理器模块完成处理器的数据定义、参数设置、程序运行等功能;存储器模块完成处理器的数据定义、参数设置、读写运算等功能;指令模块完成指令的仿真、指令集合的管理、指令的调用机制等功能;外设模块完成外设的数据定义、参数设置、功能仿真等功能;人机接口模块处理系统与用户的接口。

图8 总体模块的划分

3.2 详细设计

总体设计把系统分成五部分大的模块，这些模块还要继续分割成小的模块。模块越小，任务越清晰，这是软件设计的基本步骤。这里只以处理器模块来加以说明，其它的模块省略。从图9中可以看出，处理器模块又划分出四个小模块，分别是现场模块、指令模块、时序模块和计算模块。现场模块完成SoC主芯片的累加器、寄存器、RAM等功能;指令模块完成指令的仿真设计和管理;时序模块完成SoC晶振的仿真和计算功能;计算模块完成上述三个模块的集成及综合处理的功能。这些小模块还可以继续划分，直到分成可以直接写子函数为止，并且完成流程图。

图9 处理器模块的划分

3.3 代码转化

根据详细设计的流程图，程序员可以完成代码的转化。流程图代码化属于正向工程范畴，先将流程图转化成流程树，树有根节点和子节点，根节点表示整个流程，子节点可以是控制节点或代码节点。控制节点可以实现顺序、分支、循环等控制;代码节点实现函数调用、表达式或代码段，然后再对流程树进行深度优先的遍历，输出每个流程节点所表示的代码，最终得到源文件［5-6］。

3.4 程序测试

程序测试是指对一个完成了全部或部分功能、模块的计算机程序在正式使用前的检测，以确保该程序能按预定的方式正确地运行。测试可以分成白盒测试、黑盒测试和灰盒测试。系统完成之后，通过测试才可以交付使用。本系统使用灰盒测试法，主要由程序设计人员自己完成逻辑覆盖测试和功能覆盖测试。

4 结束语

本系统完成专用SoC在PC机上的软仿真，完成了SoC的软化功能。本系统的应用在两个方面:一是产品开发，二是宣传品制作。开发一款电子产品，若软件工作量大，则软开发平台非常重要。因为软件要多人完成，软开发平台有高效率和低成本的特点，现在很多此类厂商都使用软件开发平台。另外，当前互联网的影响非常大，如果能把你的产品做成演示版放在互联网上宣传，效果非常好，仿真软件在这个方面起到很大作用。

［1］张志良.单片机原理与控制技术［M］.2版.北京:机械工业出版社，2007.

［2］袁志勇.嵌入式系统原理与应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［3］徐士良.计算机软件技术基础［M］.3版.北京:清华大学出版社，2010.

［4］奈霍夫.数据结构与算法分析［M］.2版.北京:清华大学出版社，2006.

［5］ Donald Hearn，Pauline Baker.Computer Graphics C Version［M］.北京:清华大学出版社，1998.

［6］黄维通，姚瑞霞.Visual C++程序设计教程［M］.北京:机械工业出版社，2001.