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。[page]
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。
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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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