在FPGA上對OC8051IP核的修改與測試

在FPGA上對OC8051IP核的修改與測試

　引言

　　20世紀80年代初，Intel 公司推出了MCS-51單片機，隨后Intel以專利轉讓的形式把8051內核發布給許多半導體廠家，從而出現了許多與MCS-51系統兼容的產品。這些產品與MCS-51的系統結構相同，采用CMOS工藝，因而常用80C51系列來指代所有具有8051指令系統的單片機。在80C51系列中，OC8051以架構清晰、取指帶寬大、時鐘效率高等諸多優點受到業內人士的青睞。本文在分析OpenCores網站提供的一款OC8051IP核的基礎上，給出了一種仿真調試方案；利用該方案指出了其中若干邏輯錯誤并對其進行修改，最終完成了修改后IP核的FPGA下載測試。

　　1 OC8051結構分析

　　OpenCores網站提供的OC8051 IP核與8051的系統結構相同，如圖1所示。該IP核兼容所有8051指令系統，內部資源包括：8位CPU，尋址能力達2×64K；4 KB的ROM和128字節的RAM；4個8位I／O口；16位內部定時／計數器；5個中斷源和2個中斷優先級。采用Verilog語言對其各個模塊進行描述。系統主要模塊及其功能說明如表1所列。不同模塊對應的源文件均是以模塊名稱命名的，例如累加器A對應的源文件為oc8051_acc．v。

　　雖然上述OC8051 IP核宣稱兼容所有8051指令系統，但是實際執行時并非如此。例如在執行表2所列的2組功能相同的代碼時，所得到的執行結果并不相同。代碼1的執行結果是將5寫入地址為0的外部RAM，代碼2的執行結果是將5寫入地址為4的外部RAM。造成這種現象的原因是，oc8051_ext_addr_sel模塊配置寫外部RAM地址時延誤了一個時鐘周期。若要OC8051 IP核與標準8051系統一致，須對源文件中類似的邏輯錯誤進行修改。

　　2 OC805 1仿真調試及修改

　　對于硬件設計而言，仿真的作用是驗證設計結果的邏輯功能是否符合初始規定，如果在這一層次上設計出了問題，那么以后各個層次的工作將完全不確定。由前文可知，OC8051 IP核存在著邏輯錯誤，所以有必要通過仿真的手段實現錯誤查找和定位，從而最終完成對邏輯錯誤的修改。

　　2．1 仿真調試方案

　　OC8051仿真調試方案如圖2所示。其原理是：在Keil軟件環境中編寫測試程序，編譯生成．hex文件并將其注入ROM的指令寄存器中。testbench負責產生OC8051工作時鐘及控制使能等信號，并將OC8051執行ROM中指令的結果輸出到文本／波形文件中。開發人員通過對文本／波形文件和Keil調試工具執行測試程序的結果進行比較，從而實現對邏輯錯誤的查找與定位，并對IP核源文件進行修改。

　　值得注意的是，雖然Modelsim功能強大，可以方便地觀察到任何層次模塊信號的變化，但是OC8051 IP核的結構和時序比較復雜，仍避免不了仿真時因為中間信號多所帶來的不便。因此，在仿真調試時可尋求一些簡化操作的機制。考慮到借助數據寄存器指針DPTR和累加器A，MOVX指令可以將程序執行過程中任何寄存器的值輸出到外部RAM中，而觀察外部RAM中的值相對容易，因而本文采用了這種機制。

　　2．2 具體修改方法

　　(1)oc805 1_ext_addr_sel模塊

　　讀寫外部RAM地址可以由DPTR指示，也可以由Ri指示，該模塊的主要功能是選擇讀寫外部RAM地址。通過select和write信號完成對buff和state的配置，從而完成對讀寫外部RAM地址addr_out的配置。在Modelsim環境中，執行表1中的代碼1時，發現addz_out的變化總是比DPTR慢一個時鐘周期，因而其執行結果是將5寫入地址為0的外部RAM。造成這種現象的原因是配置buff和state時采用了always進程，本文將該部分代碼修改為：

　　assign state="write"；

　　asstgn buff="select"?{8h00，ri}：{dptr_hi，dptr_lo}；

　　(2)oc8051_psw模塊

　　該模塊由一個8位標志寄存器及其控制邏輯組成，用來收集指令執行后的有關狀態。8位寄存器的各位狀態通常是在指令執行過程中自動形成，但也可以由用戶根據需要采用傳送指令加以改變。原設計中負責解釋傳送指令的邏輯采用if語句：

　　if(addr[7：3]=='OC8051_SFR_B_ACC)data_out[addr[2：O]]<=cy_in；

　　'OC8051_SFR_B_ACC被定義為累加器A的高5位地址，用在這里顯然不對。應該將其改為程序狀態字PSW的高5位地址'OC8051_SFR_B_PSW。

　(3)OC8051_alu模塊

　　該模塊是一個性能極強的運算器，不但可以進行四則運算和邏輯運算，而且具有數據傳送、移位、程序轉移等功能。其中，程序轉移功能是當遇到短轉移指令SJMlE’或變址轉移指令JZ、CJNE、DJNZ等時，改變程序計數器PC的值，對應原設計為always進程中的'OC8051_ALU_PCS分支。其代碼如下：

　　輸入src3為PC[15：8]，src2為PC[7；0]，src1為目標轉移地址rel。需要注意的是，rel是以立即數形式存在的，且為補碼格式(補碼數的加減法運算統一為加法運算)。若src1[7]=1'b1成立，則rel為一負數，對應轉移指令是往前轉移；否則，往后轉移。當rel為負數時，原設計僅考慮了：PC[7：0]≥| rel |的情況，其對目標地址{des1，des2}的處理不全面；當PC[7：0]<|rel|時，des2=src2+src1為負數，借位會對des1產生影響，因而應有des1=src3-8'h1。因此，將該部分代碼修改為：

　　其中c是借位標志位，用來標識程序轉移時PC[7：0]對PC[15：8]的影響。

　　(4)oc8051_decoder模塊

　　該模塊用于對指令譯碼。其設計思想是，分析當前輸入信號op_in和所處狀態state，把指令的功能配置為其他模塊的控制信號，并得出下一個狀態。因為各指令的指令周期不同，所以每條指令譯碼執行狀態也各有不同。模塊主體由狀態機構成，在每個狀態下對狀態機不同的執行狀態進行條件判斷嵌套，以此實現對不同指令的多路選擇。對模塊仿真時發現，執行如DJNZ、JB、CLR等指令的結果不正確，其原因是在某些狀態下對某些指令的譯碼有誤，主要表現為配置了錯誤的控制信號。對模塊修改結果如表3所列。

　　2．3 仿真結果

　　程序執行方式是單片機的基本工作方式，通常可以分為單步執行和連續執行兩種。事實上，2．2小節中的具體修改方法正是結合這兩種工作方式實現的。數據加密標準(DES)是著名的對稱密鑰分組密碼，由美國標準FIPS 46-2定義。基于8051指令系統，DES的軟件實現難度不大，但它是對OC8051 IP核工作能力的一次綜合檢驗。采用DEs標準測試向量：

　　密鑰K=1A624C89520DEC46

　　明文P=748502CD38451097

　　密文C=DD0CFEB783CF3FDE

　　結合圖2所示的仿真調試方案，Modelsim環境中OC8051執行DES的仿真結果如圖3所示。

　　3 基于FPGA的下載測試

　　利用FPGA對其功能進行了驗證。選用Altera公司的EP2C35F672C6型號FPGA開發板，含有33 216個邏輯單元(LE)、豐富的存儲器(RAM)和4個鎖相環(PLL)。采用QuartusII軟件，OC8051 IP核綜合后占用3 917個邏輯單元，時鐘頻率最高達到30．81 MHz，FPGA測試的實際頻率為27 MHz。

　　利用QuartusII對OC8051 IP核綜合、布局布線后，采用JTAG方式將配置文件下載至FPGA中，測試程序仍采用DES算法程序。In-System Memory ContentEditor是QuartusII提供的一個可在線操作FPGA片上RAM內容的工具，通過JTAG方式，用戶可以查看和修改RAM中的內容。如果用戶設計對RAM中的內容進行了修改，需要查看修改后的結果是否為所期望的，則使用該工具最為方便。OC8051 IP核外部RAM中的數據可以通過該工具方便地操作，所以本文對DES測試向量的輸入和輸出都是通過它來完成的，如圖4所示。