一种基于MCU内部Flash的在线仿真器设计方法

摘要：提出了一种基于MCU内部Flash的仿真器设计方法，并完成了设计和仿真。

关键词：微控制器 在线仿真 开发系统 Flash SRAM

由于市场对MCU功能的要求总是不断变化和升级，MCU应用的领域也不断扩展， 因此往往需要对最初的设计进行修改。Flash MCU与以往OTP/MASK MCU相比，最大的优点就在于可进行高达上万次的擦写操作，顺应了MCU功能不断修改的需求；另一方面，Flash MCU市场价格也在不断下降。因此，许多OEM已将Flash MCU用于产品的批量生产。对于Flash MCU,基于内部Flash的在线仿真器更接近于程序真实的运行特性，程序调试的效果更好，效率更高。实际上，Flash MCU工作时Flash的延时、读写时充等特性是非常，程序存储在MCU外部仿真板上的SRAM中，由额外的硬件逻辑来模拟Flash的这些特性是费时低 效的；同时将Flash和MCU内嵌的其他类型存储器如SRAM、ROM等区分开来也是十分重要的。如果在程序的调试阶段就可以反映出这特性，有且于实现 程序从仿真器到商用MCU芯片的无缝转移。

1 关于Flash MCU

Flash MCU的构成如图1所示，主要由CPU核、Flash IP及其控制模块、SRAM IP及基控制模块、WatchDog、PMU（Power Manage Unit，功耗管理单元）、I/O端口以及ISP在线编程接口等组成。不同功能的Flash MCU还包含一些各自独特的应用模块单元，如用于寻呼的Flash MCU所包含的解码模块。对于用来构成在线仿真器的Flash MCU还可能包括仿真接口单元。本文在讨论Flash MCU的在线仿真时，指的都是包含仿真接口的Flash MCU。

Flash存储器几乎拥有现今追求个性化的用户所需要的所有优点：掉电数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线（系统）可编程、价格低廉以及足够多的擦写次数的高可靠性等，已成为新一代嵌入式应用的首选存储器。与Flash MCU相比，MASK（掩膜）MCU尽管在大指生产时仍具备一定价格优势，但其升级不便的缺点，随着今后Flash成本的进步降低和MCU功能需求的逐渐增多，将表现得更为显著。

2 基于外部SRAM的MCU在线仿真器

MCU仿真器的一种常见做法是，将用户的待调试程序（以下简称用户程序）存储在 MCU外部仿真板的SRAM（以下简称外部SRAM）中，在bond-out MCU的外部结构仿真监控硬件（以下简称外部仿真逻辑），通过监视和控制仿真接口信号即bond-out的信号，来获取MCU的状态，是指将MCU内部的 某种信号连接到封装的管脚上，使得外部仿真逻辑可以监视和控制MCU内部的状态。这种非商用芯片专用于构成在线仿真器，当用户程序在仿真器中调试完成后， 编程到商用MCU芯片中，应用到用户系统。在商用MCU中，这些仿真接口信号不会出现在芯片封装的管脚上。

在Flash MCU没有被广泛应用之前，仿真器设计公司通常将用户程序和监控程序都存储在外部SRAM中，这种做法基本上可以反映SRAM MCU真实的运行情况，对用户程序的调度效果影响不大。但是对于Flash MCU而言，则存在一定的问题。毕竞SRAM和Flash在工艺和读写时序上相去甚远，CPU运行存储在SRAM和Flash中的程序，情况是完全不同 的。有可能出现程序存储的仿真器的外部SRAM中运行良好，但是编程到商用MCU中工作起来却不正常。随着Flash MCU在 MCU市场中的比重越来越大，这一问题显得越来越突出，有必要加以重视。

本文介绍的Flash MCU仿真器的设计方法，几乎不增加MCU的仿真接口信号和芯片设计的复杂程度，就可以接近程序在商用MCU中的运行情况，实现用户程序从仿真器到商用MCU的良好转移。

3 基于MCU内部Flash的在线仿真器的一种设计方法

图2是Flash MCU仿真器系统构成示意图，其中的虚线接口信号是MCU的仿真接口，通常包括仿真使能信号，bond-out MCU中的CPU的地址、数据、读/写和取指等信号，以及少数几个用于仿真的控制信号。仿真接口是Flash MCU与外部仿真逻辑之间的桥梁，使得外部仿真逻辑能够监控MCU的内部状态。

3.1 仿真器的工作原理

仿真器复位后，CPU开始运行存储在MCU内部Flash(以下简称内部 Flash)中的用户程序，外部仿真逻辑实时监测仿真接口信号，取得当前CPU运行指令的地址，判断是否断点。一旦遇到断点，外部仿真逻辑停止用户程序的 运行，切换程序运行的地址空间，开始运行存储在外部SRA模块的监控程序。监控程序取得MCU的当前状态，并根据软件的调试要求，改变MCU内部的一个或 多个寄存器的值，控制MCU的下一步运行。当监控程序完成使命，需要将程序的运行空间切换回用户程序空间，CPU取指从外部回到内部，继续运行用户程序。 在用户程序运行过程中，软件通过并口发送的调试指令可以控制外部仿真逻辑，随时打断程序运行，或者单步调试，工作的过程与断点相心。断点、单步及软件中断 在下文中断称为程序中断事件。

仿真器工作时，CPU的取指空间需要在内外存储器之间反复切换。CPU地址空间划分示意图如图3所示。总体上，仿真器的工作受图4所示的状态机控制。该状态机共有四个状态：

·用户程序运行态（简称用户态）

仿真器复位后，处在运行用户程序的状态。在该状态下，CPU运行存储在内部Flash中的用户程序；外部仿真逻辑实时监测仿真接口，等待程序中断事件的发生，进入下一状态-跳转态。
审核编辑：彭菁