用于8051单片机片上调试系统的硬件设计

摘要

随着电子产品和工业控制的复杂性日益增加,使得基于单片机的软硬件开发难度越来越大,在开发中使用一套完备的实时调试系统则显得非常重要。本课题采用专用数字集成电路的设计流程为工业上广泛应用的8051微控制器设计了一个片上调试系统,将调试功能集成到单片机芯片内部。文章内容包括需求调研,方案设计,设计实现,功能仿真与验证以及后端设计。
　　本文设计的片上调试系统具备提供整个微控制器实时调试的能力,拥有商业仿真的一切功能。它不仅具有控制8051单片机挂起、正常运行、单步运行和指令跳转的能力,而且能够读写片内寄存器、内外部数据,程序存储器、特殊功能寄存器的值。它可以在程序存储器、内外部数据存储器和特殊功能寄存器上设置硬件断点,当微控制器在特定的地址读写特定的数据时,硬件断点即被触发。该调试系统使用比工业上的JTAG标准接口占用空间更少的三线接口作为其和计算机的连接通道。文章运用Verilog HDL硬件描述语言对整个片上调试系统进行了设计,使用Mentor公司的ModelSim仿真工具对每个功能进行了详细的仿真,利用synopsys公司的Design Compile、Primetime、Astro和SMIC0.18μm工艺库完成了综合,静态时序分析和版图设计并确保时序闭合。系统在 Xilinx的Spartan3系列 FPGA xc3s400上完成功能验证。
　　结果表明,系统有效解决基于传统软件仿真,仿真器调试和JTAG调试方式的弊端,减少用户调试成本,提高调试效率。调试系统的引入对原8051单片机的性能没有产生影响。本文提出的设计方法同样适用于其他单片机片上调试系统的设计。

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1 绪论

1.1 单片机软硬件开发中的调试方案概况及发展

1.2 选题目的及意义

1.3 论文结构安排

2 片上调试系统的设计需求和实现方案

2.1片上调试系统的设计需求

2.2 片上调试系统的设计方案

2.3 本章小结

3 片上调试系统的功能设计与实现

3.1 核心功能状态机的设计

3.2 串行数据发送和接收功能的设计

3.3 小结

4 系统功能仿真和FPGA验证

4.1 功能仿真

4.2 FPGA实现与验证

4.3 小结

5 后端设计

5.1 综合

5.2 版图前静态时序分析

5.3 版图设计与版图后时序分析

5.4 小结

6 总结和展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文