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80C196单片机仿真软件的设计与实现

关键词:80C196 单片机 仿真软件

时间:2013-09-12 14:27:25      来源:dzsc

  为提高嵌入式控制软件(以下简称为应用软件)的质量和可靠性,研制过程中通常需对应用软件进行全面细致的测评。但是基于嵌入式控制器的应用软件测评通常需要构建与应用系统相当或更加复杂且完备的软硬件测试环境,时间和资金的耗费不亚于被测系统开发。采用全软件测试平台实现应用软件测评不失为一种较好的选择。本文所介绍的80C196单片机仿真软件即为旨在构建该种测试平台的基础技术之一。 l仿真软件

  为提高嵌入式控制软件(以下简称为应用软件)的质量和可靠性,研制过程中通常需对应用软件进行全面细致的测评。但是基于嵌入式控制器的应用软件测评通常需要构建与应用系统相当或更加复杂且完备的软硬件测试环境,时间和资金的耗费不亚于被测系统开发。采用全软件测试平台实现应用软件测评不失为一种较好的选择。本文所介绍的80C196单片机仿真软件即为旨在构建该种测试平台的基础技术之一。

l仿真软件需求分析与软件结构

  仿真软件作为全软件测试平台的主框架,主要利用PC机上较丰富的资源,在PC机上实现应用软件全速全功能仿真80C196单片机的运行,并顶留测试用例生成模块、软件模拟的外部激励等软件测评信息的插装接口。

  该仿真软件可仿真80C196单片机指令功能、中断响应和外设接口功能。具有良好的人机界面,便于控制仿真过程,查看仿真结果。

  CPU模块,主要仿真80C196 CPU芯片和存储器,执行80C196指令系统中的所有指令,支持多种数据类型,包括位、字节、字、双字、短整形、整形、长整形,以及多种寻址方式,完成中断处理并控制各种仿真的外设模块;编译模块,完成源程序的预处理过程,包括编译、分析、查错,将源程序转换成80C196 CPU能识别的指令集,供仿真运行使用;程序控制模块,控制仿真软件的运行,支持中断点的设置,完成仿真软件与用户的交互;系统信息模块,显示当前系统信息,监视仿真软件的运行情况;结果信息模块,查看源程序运行结果,并以形象直观的方式显示出来,具有良好的人机界面。

2仿真软件设计与实现

  仿真软件采用VC++面向对象技术,将系统中的各个抽象模块,细化为各自的类实例,从而完成规定的系统功能。仿真软件中所用到的主要类和关键技术描述如下

2.1 存储器数据结构设计

  80C196具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间,可寻址范围为64 kB,其中大部分空间是用户可以自由使用的空间。为了实现存储器的全部功能以及便于程序控制,设计了一个包含多种信息的结构作为仿真软件中的存储单元,并由这些存储单元组成了仿真平台的存储区,软件仿真平台的存储区与80C196的存储空间一一映射。存储单元结构表示如下:
仿真软件中的存储器表示为MyCode m_ramMap[0xffff],实现了与真实存储空间的映射。

2.2 CPU模块设计

  CPU模块实质是一个庞大的类实例,模拟80C196CPU的所有功能,他是整个仿真软件的核心。CPU类是80C196单片机中指令执行部件,存储器,IO接口,串行口等硬件部件的软件实现,完成指令仿真、存储器管理、中断管理等功能。能实现80C196单片机指令系统中104种指令的功能,并处理6种指令寻址方式,包括立即数寻址、寄存器直接寻址、间接寻址、自动增量间接寻址、短变址寻址和长变址寻址。

  80C196CPU的所有功能由C196Chip类实现,C196Chip类的结构图及其类中调用关系。

  CMyCPU类为所有类共有,包含存储器单元,程序状态字,CPU时钟频率,指令执行总的周期数以及一些其他的CPU信号。CFindAddr 类实现了指令的六种寻址方式,通过提供统一的接口,实现不同的寻址方式,使得操作数的寻址过程变得透明。需要访问存储器的指令通过调用CFindAddr类中的方法完成访问存储器的过程,取得访问数据,依指令的不同,取得的数据类型包括字节、字、短整型数、整型数、双字和长整型数。80C196指令系统中有104种指令,依据功能的不同,划分为加法指令、减法指令、乘法指令、除法指令、逻辑运算指令、数据传送指令、堆栈操作指令、跳转和子程序调用指令、条件跳转、位逻辑值跳转指令、单寄存器指令、移位指令和特殊控制指令。每一类指令作为一个单独的模块设计为一个类实例,完成相应指令的解释执行。对于需要修改程序状态字的指令,将修改状态字的操作作为一个类。


  CRunCode类封装所有的操作模块,仿真80C196单片机中的指令执行部件,完成单步运行、一次运行和连续运行3种指令的执行方式。C196Chip类仿真整个单片机模块,除了指令执行部件外,还包括各种外设模块,完成中断、串口等功能。对外提供统一的控制接口,完成单片机的初始化、启停、访问存储器、访问外设、访问特殊功能寄存器。

CPU模块中各个类的描述及其继承关系。

2.3指令的仿真运行

  80C196指令系统中有104种指令,按照操作码和功能的不同,将指令划分为13类,每个类模块实现1类指令的功能。

  CRunCode类封装了13类指令的各个模块,提供了统一的接口,以地址寄存器值作为输入输出。进入CRuncode-类的为地址寄存器值,根据此值取得指令,依指令操作码的不同进入各个操作模块。各个操作模块完成指令的功能,并计算出下一条指令的地址值返回给CRunCode-类,CRunCode类再将此值写入CPU的地址寄存器中。其执行过程如图3所示。

  对于每一条指令的仿真,包括操作过程,操作结果与程序状态字的改变力求做到与80C196指令集相一致。以两个操作数的加法指令ADD Al,BL为例,其实现过程如下:

 


2.4编译模块设计

  编译模块将用户编写的源程序编译成CPU能识别的二进制机器语言的形式。为了降低系统的设计难度,采用了已经具有的外部程序对源程序进行处理。编译模块读取由外部程序生成的列表文件,将程序信息转化为本系统能处理的数据结构,并将生成的二进制操作码装入CPU的存储器。

2.5程序仿真与控制的实现

  程序运行有3种方式,即单步运行,运行一次和连续运行。程序的主要控制功能有复位、设置/清除中断点、查看寄存器、查看程序状态字等。编译模块对源程序进行预处理,将源程序转化为二进制操作码。CPU模块将操作码装入存储器成功后,初始化CPU的各种信号,并将程序地址寄存器的值置Ox2080,这是80C196汇编程序的起始地址。然后CPU模块依据地址寄存器的值取操作码,按照取址、译码、执行的过程执行每一条指令。在一条指令执行完毕后,执行中断处理,刷新显示结果以及检查中断点等操作。

 
3软件运行结果

  本仿真软件的关键技术在于CPU模块的设计。这个模块要完成80C196所有指令的功能,要分配存储器资源,要控制软件仿真过程中程序状态字、特殊功能寄存器以及其他CPU信号的变化。采用面向对象编程方法和分层设计的思路,通过对指令的合理划分,降低了指令系统的复杂度,通过对实际器件的抽象与封装,实现了与实际硬件器件的功能等价,使得仿真结果与真实执行情况相一致。

  至此,该仿真软件的基本功能已经实现,为仿真平台的设计打下了基础,接下来的工作是以仿真软件为基础,完成仿真平台的开发与调试,主要包括各种外设的实现,测试用例生成工具以及驱动测试的外部激励产生模块,以此搭建一个具有良好人机界面的测试环境,提高应用软件的质量与可靠性。按照软件要求计划采用dll文件的方式将各个模块生成库文件,并在仿真软件中预留各个库文件的接口,在程序需要时调用相应的库文件即可,简化了设计的难度,同时增加了仿真平台的灵活性和通用型。

4结 语

  本文提出一种采用VC++面向对象技术设计80C196单片机应用软件仿真环境的方法。据此方法研制的仿真软件可仿真80C196指令集的全部指令,并可对80C196单片机嵌入式控制软件进行仿真与运行。该项技术为全软件测试平台的开发奠定了基础,也可供相关领域的应用参考。

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