大约在 40 年前，Comprehensive Computing Systems and Services公司在市场上推出了首个名为 TEGAS 的商业数字软件仿真器，该设备主要用于测试生成和软件仿真系统。这一对门级电路进行仿真的系统由一个小型专家团队开发，而在此之前只有针对晶体管级电路进行仿真的模拟仿真软件。TEGAS 是其专用的描述语言。这种语言仅用于生成数字电路测试向量。最终，仍须通过原型板进行设计验证。

　　随着 20 世纪 80 年代早期计算机辅助工程 (CAE) 行业的兴起，数字软件仿真器或逻辑软件仿真也在电子工程界流行起来，成为设计验证的主要手段。到 20 世纪 90 年代末，数字软件仿真器逐渐发展演变为寄存器传输级 (RTL) 软件仿真器，这种软件仿真器支持两种流行的硬件描述语言 (HDLs)—— Verilog 和 VHDL。现有的 EDA(电子设计自动化，CAE 和 CAD 的产物)供应商用了十多年的时间在同一个工具中支持这两种语言。如今，Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics这三家大型 EDA 供应商，都提供各自的 HDL 软件仿真器，在市场上呈现三足鼎立的状态。

　　多年来一系列的改进使得 HDL 软件仿真器变得愈加完美。现在，它是一款不可限量的工具，是设计验证和假设分析中必不可少的工具，但其还是有自身的局限性，即设计规模不能超过 1 亿个 ASIC 等效门。这种限制较为随意，事实上，仍然可以对更大型的设计进行软件仿真，只是执行速度奇慢无比。

　　一个示例

　　若要使用在 10 Hz 下运行的现代软件仿真器来仿真在 100 MHz 下运行的 1 亿 ASIC 门设计上的一秒钟的真实数据，这绝非易事。在这种设计复杂度下，可能需要花费 1 千万秒的时间。即 2,778 小时，或者 115 天。一秒钟的 100 MHz 真实数据等于 1 亿个时钟周期，这个数字相当大，可能会超出处理典型测试平台的要求。在处理典型测试平台时，一毫秒或者更短时间就足够了，在大内存配置的最新 PC 上运行时，则会将执行时间缩短至一天或更短。这是个合理的目标。

　　HDL 软件仿真器可以在 PC 场中并行运行，每个 PC 会处理功能完善的测试平台。半导体公司有成千上万台 PC 构成的计算场全天运行。

　　但 1 亿周期仍不足以处理嵌入式软件设计。由于处理软件在本质上为串行流程，所以对于这项任务来说，有必要按顺序执行数十亿周期。然而，带有 HDL 软件仿真许可的 PC 场却鞭长莫及。软件程序无法在子集中进行拆分，再并行运行。

　　那么，要如何验证 SoC 设计的嵌入式软件呢?

　　进入硬件仿真时代

　　硬件仿真其实由来已久，它给设计人员在流片前提供了一种更为准确的电路行为描述，因为硬件仿真是通过真实的电路和逻辑来实现设计。硬件仿真始于 20 世纪 80 年代末，在 20 世纪 90 年代末盛行，当时主要是通过商业 FPGA 进行实现，用于验证需要较长测试周期的处理器和图形设计。它们也遇到诸如电路建模难度高以及可靠性低等各种问题。其成本也较为高昂，并且作为单用户资源，其投资回报较低。然而，硬件仿真器的出色执行速度仍使其成为长处理周期的必要工具。

　　还是之前的示例，在 1 MHz 下运行的硬件仿真器需要花费 100 秒来执行 1 秒钟的真实数据以及处理 1 亿次周期。硬件仿真器可以在一小时左右的时间内启动操作系统。而且，硬件仿真器的投入比重新流片便宜得多。

　　图 1：不同设计规模下软件仿真与硬件仿真性能对比

　　HDL 软件仿真器由于缓存缺失和内存交换，其执行速度会随着设计规模增加而急剧下降。不过与之不同的是，在此情况下，硬件仿真器的性能只会受到轻微影响(见图 1)。

　　由于商用 FPGA 硬件仿真器有一定的限制性，定制芯片硬件仿真器由此应运而生。这种硬件仿真器主要有两种不同类型：由 Mentor Graphics 提供的定制 FPGA 硬件仿真器，又称片上硬件仿真器;以及由 Cadence Design Systems 提供的基于处理器的硬件仿真器。同时，Synopsys 也支持使用比标准 FPGA 硬件仿真器更为先进且功能有所增强的最新商用 FPGA 硬件仿真器。

　　直到十年前，硬件仿真器才在电路硬件仿真 (ICE) 模式中被单独部署为物理测试环境。由于当流片提供激励和处理响应时，被测设计 (DUT) 将最终驻留在此环境中。因为难以进行设置，ICE 模式现在并不常见，而对更加灵活的测试环境的需求却在不断增长。应用硬件桥没有可控性/可再现性，并且由于安装时间和维护成本的增加，其还会增加测试环境的复杂度。由于可合成的测试平台能在硬件仿真器内部进行映射，并且无需依赖外部环境便可以硬件仿真器的最高速度执行，因此该测试平台区域还有其他可行的替代方案。不过遗憾的是，它们不易开发。

　　基于事务的验证或加速(TBV 或 TBX)是业内最看好的方法，具有两方面的优势。首先，能采用少一个数量级的代码行，在更高抽象层次写入测试平台，简便而又不易出错。其次，由于在硬件仿真器内部映射晶体管的总线功能模型 (BFM) 实现了急剧加速，这些测试平台比传统 RTL 平台执行更快。另一个益处是，当用户切换设计或新用户登录时，TBV 或 TBX 不需要人为监督来处理速度适配器。这种方式也适合于远程访问。

　　何时使用软件仿真，何时使用硬件仿真

　　HDL 软件仿真器适用于设计周期早期阶段的硬件调试，早期阶段的设计主要专注于模块级别。凭借易用、快速设置、极速设计编译等特点，它们可以极其灵活地调试硬件设计。它们还支持每天进行多次设计迭代…只要设计规模合理。但在数千万门级别时会出现问题，这在现在看来只是典型的系统级设计验证。如上所述，它们并不适合嵌入式软件验证。

　　相反，硬件仿真能找到几乎所有设计缺陷，无论是在硬件中还是在 SoC 嵌入式软件中。硬件仿真可处理任何设计规模，但需要较长时间进行环境搭建，至少一天，也可能更长时间。而且，相比软件仿真器，其编译速度相对较慢，大约需要一小时以上才能完成编译(见图 2)。

　　图 2：基于性能、设计能力和设置/编译时间的软件仿真与硬件仿真对比

　　现代硬件仿真器支持多个并发用户，包括通过远程访问，因此可增加投资回报。

　　越来越多的系统设计或整机制造企业意识到，要保证产品的创新或是独特性，必须要有自家独特的设计。如果是能够在核心的控制芯片或是处理芯片，采用自家专有的技术，同时还能降低对供应商的依赖或是材料成本，这将会是在市场上取得成功的重要，甚至是关键的因素。

　　在本文中，笔者很乐意来分享一个无人机市场上，一家方案公司自己设计开发MCU的故事，给大家一些启发。

　　在过去的一年中，玩具级无人机的出货增长逐渐放缓，在澄海众多玩具无人机厂商激烈的低成本竞争中，玩具无人机对于方案商的要求不断增加。玩具无人机不仅能手控各种飞行，还要增加越来越多的功能，包括拍摄高清视频、远距离无线视频传输、甚至还要配有简单的云台。最后价格还要定在1000元以下。这对于无人机的上游方案公司来说，要保持出货量，就必须不断地增加功能，同时还要降低成本。

　　“能够降一毛钱，对于我们的BOM成本来说都很重要。价格越低的方案，成本压力越大，因为低价格的方案往往出货量更大。”一位深圳的方案公司研发老总C先生对电子工程专辑表示。

　　业内人士估计，2016年玩具级无人机中国厂商的出货量在3千万至5千万台，现在主要由深圳的为数不多的方案公司在主打这个市场。由于技术不断升级更新，原本很多的方案公司，逐渐选择退出。原因一方面是研发与设计人才，不断地被无人机龙头企业挖走，培养新的人才根本很难适应。“我们来不及培养一个新人去做出有竞争力的方案，老的工程师现在根本留不住。”一家退出市场的方案公司老板苦笑着感叹说。

　　进入2017年以来，玩具级无人机的市场增长放缓也是很多方案公司选择退出的原因。客户少了，再增加投入的意义不大。

　　但在这个时候，有一家深圳的方案公司，却选择去开一颗ARM Cortex-M0的MCU。设计上，他们采用了设计外包，一个几个人的内地开发团队，几十万的流片费用，看起来是可以承受的范围内。毕竟，如果这颗芯片成功了，今后所有的方案都有机会采用自家的芯片了。“一方面可以解决市场缺货的问题，另一方面以后自己的方案要增长新的功能，就可以用自己定制化的MCU，成本降下来的同时，用起来还更省心。”C先生解释说。

　　也许在很多个成熟的应用市场，都已经被中国本土公司设计的芯片渗透进来。这得益于中国本土IC设计人才在过去十几年中，在与客户接触的过程中，了解到了客户的需求。同时，还在参与到外资芯片公司IC设计的项目中，积累了很多的经验。

　　现在很多公司的老板常说的一句就是：“不行咱们就自己开一颗。”也许在深圳的电子企业，或者是更广泛的消费类电子产品制造企业里，越来越多的公司会选择采用ARM授权的IP，来自主开发MCU，甚至更高端的芯片。

　　ARM公司特别推出了一个基于Cortex-M0的在线设计平台“Design Start”。除了有易用的设计工具、丰富的IP与专家社群资源，也提供低成本的原型制作与低门坎授权条件，能在使用者将创意化为实际量产成品的过程中提供充分的协助。

　　常用单片机系列

　　1.8051系列单片机

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机，在工业控制领域引起不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。之后不久，Intel公司彻 底开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中，这其中贡献最大的有Philipe公司，它着力发展了 单片机的控制功能和外围单元;Atmel公司，它在单片机内部植入了Flash ROM，使得单片机应用变得更灵活，在我国拥有大量的用户;ADI公司，它推出的AduC8 xx系列单片机，在单片机向SOC发展的模/数混合集成电路发展过程中扮演了很重要的角色;Cygnai公司，它采用一种全新的流水线设计思路，使单片机 的运算速度得到了极大的提高，在向SOC发展的过程中迈出了一大步。

　　目前8051系列单片机各生产厂商的主流产品有几十个系列，几百个品种。尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、 I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例，说明其各系列之间的区别。

　　Intel公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可分为3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1。

　　表1 Intel单片机系列性能简介

　　这里，我们仅对MCS-51系列作一简要介绍。MCS-51系列单片机虽已有10多种产品，但可分为两大系列：MCS-51子系列与MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三种类型。而MCS-52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表1.2所示。

　　表1.2中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列，在4个性能上略有差异。 由此可见，在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB;片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个;中断源增加了1～2个。另外，对于制造工艺为CHMOS的单片机，由于采用 CMOS技术制造，因此具有低功耗的特点，如8051功耗约为630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　其它单片机

　　当很多公司在改造MCS-51系列单片机的同时，世界上一些有影响力的大公司也在开发自己的单片机，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。这些单片机的指令系统和内部结构都和MCS-51系列单片机不同，功能也各有千秋。

　　(1)Motorola的单片机

　　Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商，是目前全球最大的8位单片机生产商。现在已经拥有8位、16位和32位约十几个系列的单片机，这其中 8位机主要有68HC05、68HC08和68HC11等3个系列;16位机主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4个系 列;32位机主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola单片机的功能一般都很强，进入我国的时间也很早，在单片机应用领域有很高的威望，但由于其开发工具价格较高，影响了普及率。

　　(2)Microchip公司的PIC单片机

　　Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商，Microchip单片机在我国也有比较多的用户，近几年随着Microchip不断推出颇 具特色的各型单片机，Microchip已越来越受到业界的广泛关注。目前，市面上比较常见的单片机主要有以下3个系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，这两个系列的单片机是PIC单片机中的低端产品，其中PIC16C5x系列是最早在市场上得到发展的系列，因其价格较低，且有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛;而PIC12C5xx是世界上第一个8脚低价位单片机，可用于一些对单片机体积要求较高的简 单智能控制领域，前景十分广阔。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中档产品，是Microchip近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，指令周期可达到 200ns，增加了中断功能、带A/D、内部E2PROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信 (USART)、模拟电压比较器及LCD驱动等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，适合于高级复杂系统的开发，其性能在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种之一，可用于高、中档产品的开发，如马达控制、音调合成。

　　(3)TI(Texas Instruments)公司的MSP430单片机

　　TI公司是闻名全球的DSP制造商，但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜。MSP430系列单片机最突出的特点是低电压供电和超低功耗，非常适合应用于采用电池长时间工作的场合。电压范围为1.8~3.6V;在1MHZ2.2V下，活动模式功耗为225μA，待机模式 功耗为0.8μA、掉电模式功耗为0.1μA。在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按照不同的应用目标组合而成的。MSP430系列单片 机的CPU采用16位RISC精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高代码效率;它采用数字控制振荡器(DCO)，使得从低功耗模式到 唤醒模式的转换时间小于6μs;内部集成了A/D转换器，工业应用方便;其中MSP430x41x系列设计有一个16位定时器、一个比较器、96段LCD 液晶驱动器和48个通用I/O口。