80C196單片機(jī)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　為提高嵌入式控制軟件(以下簡稱為應(yīng)用軟件)的質(zhì)量和可靠性，研制過程中通常需對應(yīng)用軟件進(jìn)行全面細(xì)致的測評。

　　但是基于嵌入式控制器的應(yīng)用軟件測評通常需要構(gòu)建與應(yīng)用系統(tǒng)相當(dāng)或更加復(fù)雜且完備的軟硬件測試環(huán)境，時間和資金的耗費(fèi)不亞于被測系統(tǒng)開發(fā)。采用全軟件測試平臺實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件測評不失為一種較好的選擇。本文所介紹的80C196單片機(jī)仿真軟件即為旨在構(gòu)建該種測試平臺的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

　　l仿真軟件需求分析與軟件結(jié)構(gòu)

　　仿真軟件作為全軟件測試平臺的主框架，主要利用PC機(jī)上較豐富的資源，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件全速全功能仿真80C196單片機(jī)的運(yùn)行，并頂留測試用例生成模塊、軟件模擬的外部激勵等軟件測評信息的插裝接口。

　　該仿真軟件可仿真80C196單片機(jī)指令功能、中斷響應(yīng)和外設(shè)接口功能。具有良好的人機(jī)界面，便于控制仿真過程，查看仿真結(jié)果。其系統(tǒng)組成見圖1。

　　CPU模塊，主要仿真80C196 CPU芯片和存儲器，執(zhí)行80C196指令系統(tǒng)中的所有指令，支持多種數(shù)據(jù)類型，包括位、字節(jié)、字、雙字、短整形、整形、長整形，以及多種尋址方式，完成中斷處理并控制各種仿真的外設(shè)模塊；編譯模塊，完成源程序的預(yù)處理過程，包括編譯、分析、查錯，將源程序轉(zhuǎn)換成80C196 CPU能識別的指令集，供仿真運(yùn)行使用；程序控制模塊，控制仿真軟件的運(yùn)行，支持中斷點(diǎn)的設(shè)置，完成仿真軟件與用戶的交互；系統(tǒng)信息模塊，顯示當(dāng)前系統(tǒng)信息，監(jiān)視仿真軟件的運(yùn)行情況；結(jié)果信息模塊，查看源程序運(yùn)行結(jié)果，并以形象直觀的方式顯示出來，具有良好的人機(jī)界面。 2仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　仿真軟件采用VC++面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將系統(tǒng)中的各個抽象模塊，細(xì)化為各自的類實(shí)例，從而完成規(guī)定的系統(tǒng)功能。仿真軟件中所用到的主要類和關(guān)鍵技術(shù)描述如下

　　2．1 存儲器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　80C196具有一個邏輯上完全統(tǒng)一的寄存器空間，可尋址范圍為64 kB，其中大部分空間是用戶可以自由使用的空間。為了實(shí)現(xiàn)存儲器的全部功能以及便于程序控制，設(shè)計(jì)了一個包含多種信息的結(jié)構(gòu)作為仿真軟件中的存儲單元，并由這些存儲單元組成了仿真平臺的存儲區(qū)，軟件仿真平臺的存儲區(qū)與80C196的存儲空間一一映射。存儲單元結(jié)構(gòu)表示如下：
仿真軟件中的存儲器表示為MyCode m_ramMap[0xffff]，實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)存儲空間的映射。

　　2．2 CPU模塊設(shè)計(jì)

　　CPU模塊實(shí)質(zhì)是一個龐大的類實(shí)例，模擬80C196CPU的所有功能，他是整個仿真軟件的核心。CPU類是80C196單片機(jī)中指令執(zhí)行部件，存儲器，IO接口，串行口等硬件部件的軟件實(shí)現(xiàn)，完成指令仿真、存儲器管理、中斷管理等功能。能實(shí)現(xiàn)80C196單片機(jī)指令系統(tǒng)中104種指令的功能，并處理6種指令尋址方式，包括立即數(shù)尋址、寄存器直接尋址、間接尋址、自動增量間接尋址、短變址尋址和長變址尋址。

　　80C196CPU的所有功能由C196Chip類實(shí)現(xiàn)，C196Chip類的結(jié)構(gòu)圖及其類中調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

　　CMyCPU類為所有類共有，包含存儲器單元，程序狀態(tài)字，CPU時鐘頻率，指令執(zhí)行總的周期數(shù)以及一些其他的CPU信號。CFindAddr 類實(shí)現(xiàn)了指令的六種尋址方式，通過提供統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)不同的尋址方式，使得操作數(shù)的尋址過程變得透明。需要訪問存儲器的指令通過調(diào)用CFindAddr類中的方法完成訪問存儲器的過程，取得訪問數(shù)據(jù)，依指令的不同，取得的數(shù)據(jù)類型包括字節(jié)、字、短整型數(shù)、整型數(shù)、雙字和長整型數(shù)。80C196指令系統(tǒng)中有104種指令，依據(jù)功能的不同，劃分為加法指令、減法指令、乘法指令、除法指令、邏輯運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)傳送指令、堆棧操作指令、跳轉(zhuǎn)和子程序調(diào)用指令、條件跳轉(zhuǎn)、位邏輯值跳轉(zhuǎn)指令、單寄存器指令、移位指令和特殊控制指令。

　　每一類指令作為一個單獨(dú)的模塊設(shè)計(jì)為一個類實(shí)例，完成相應(yīng)指令的解釋執(zhí)行。對于需要修改程序狀態(tài)字的指令，將修改狀態(tài)字的操作作為一個類。CRunCode類封裝所有的操作模塊，仿真80C196單片機(jī)中的指令執(zhí)行部件，完成單步運(yùn)行、一次運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行3種指令的執(zhí)行方式。C196Chip類仿真整個單片機(jī)模塊，除了指令執(zhí)行部件外，還包括各種外設(shè)模塊，完成中斷、串口等功能。對外提供統(tǒng)一的控制接口，完成單片機(jī)的初始化、啟停、訪問存儲器、訪問外設(shè)、訪問特殊功能寄存器。

　　CPU模塊中各個類的描述及其繼承關(guān)系如表1所示。

　　2．3指令的仿真運(yùn)行

　　80C196指令系統(tǒng)中有104種指令，按照操作碼和功能的不同，將指令劃分為13類，每個類模塊實(shí)現(xiàn)1類指令的功能。

　　CRunCode類封裝了13類指令的各個模塊，提供了統(tǒng)一的接口，以地址寄存器值作為輸入輸出。進(jìn)入CRuncode-類的為地址寄存器值，根據(jù)此值取得指令，依指令操作碼的不同進(jìn)入各個操作模塊。各個操作模塊完成指令的功能，并計(jì)算出下一條指令的地址值返回給CRunCode-類，CRunCode類再將此值寫入CPU的地址寄存器中。其執(zhí)行過程如圖3所示。

　　對于每一條指令的仿真，包括操作過程，操作結(jié)果與程序狀態(tài)字的改變力求做到與80C196指令集相一致。以兩個操作數(shù)的加法指令A(yù)DD Al，BL為例，其實(shí)現(xiàn)過程如下：

　　2．4編譯模塊設(shè)計(jì)

　　編譯模塊將用戶編寫的源程序編譯成CPU能識別的二進(jìn)制機(jī)器語言的形式。為了降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，采用了已經(jīng)具有的外部程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行處理。編譯模塊讀取由外部程序生成的列表文件，將程序信息轉(zhuǎn)化為本系統(tǒng)能處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將生成的二進(jìn)制操作碼裝入CPU的存儲器。

　　2．5程序仿真與控制的實(shí)現(xiàn)

　　程序運(yùn)行有3種方式，即單步運(yùn)行，運(yùn)行一次和連續(xù)運(yùn)行。程序的主要控制功能有復(fù)位、設(shè)置/清除中斷點(diǎn)、查看寄存器、查看程序狀態(tài)字等。編譯模塊對源程序進(jìn)行預(yù)處理，將源程序轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制操作碼。CPU模塊將操作碼裝入存儲器成功后，初始化CPU的各種信號，并將程序地址寄存器的值置Ox2080，這是80C196匯編程序的起始地址。然后CPU模塊依據(jù)地址寄存器的值取操作碼，按照取址、譯碼、執(zhí)行的過程執(zhí)行每一條指令。在一條指令執(zhí)行完畢后，執(zhí)行中斷處理，刷新顯示結(jié)果以及檢查中斷點(diǎn)等操作。

　　本仿真軟件的運(yùn)行流程如圖4所示。

　　3軟件運(yùn)行結(jié)果

　　本仿真軟件的關(guān)鍵技術(shù)在于CPU模塊的設(shè)計(jì)。這個模塊要完成80C196所有指令的功能，要分配存儲器資源，要控制軟件仿真過程中程序狀態(tài)字、特殊功能寄存器以及其他CPU信號的變化。采用面向?qū)ο缶幊谭椒ê头謱釉O(shè)計(jì)的思路，通過對指令的合理劃分，降低了指令系統(tǒng)的復(fù)雜度，通過對實(shí)際器件的抽象與封裝，實(shí)現(xiàn)了與實(shí)際硬件器件的功能等價，使得仿真結(jié)果與真實(shí)執(zhí)行情況相一致。圖5為仿真軟件實(shí)際運(yùn)行時的截圖。

　　至此，該仿真軟件的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，為仿真平臺的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，接下來的工作是以仿真軟件為基礎(chǔ)，完成仿真平臺的開發(fā)與調(diào)試，主要包括各種外設(shè)的實(shí)現(xiàn)，測試用例生成工具以及驅(qū)動測試的外部激勵產(chǎn)生模塊，以此搭建一個具有良好人機(jī)界面的測試環(huán)境，提高應(yīng)用軟件的質(zhì)量與可靠性。按照軟件要求計(jì)劃采用dll文件的方式將各個模塊生成庫文件，并在仿真軟件中預(yù)留各個庫文件的接口，在程序需要時調(diào)用相應(yīng)的庫文件即可，簡化了設(shè)計(jì)的難度，同時增加了仿真平臺的靈活性和通用型。

　　4結(jié) 語

　　本文提出一種采用VC++面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)80C196單片機(jī)應(yīng)用軟件仿真環(huán)境的方法。據(jù)此方法研制的仿真軟件可仿真80C196指令集的全部指令，并可對80C196單片機(jī)嵌入式控制軟件進(jìn)行仿真與運(yùn)行。該項(xiàng)技術(shù)為全軟件測試平臺的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，也可供相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用參考。