EMULADOR 8051 (HARDWARE)

   Propósito

 Para poder seguir ampliando el blog y subiendo el nivel de los programas, siempre basándome solamente en código propio, hoy voy a colocar una tarjeta muy sencillas, que unida a la anterior tarjeta de 48IO, me permitió en su día crear una de mis mejores herramientas de desarrollo.

    En este caso el resultado del conjunto es un emulador de 8051. 
 
   Esta tarjeta es una versión para el 8051 de un emulador Z80 previo que desarrolle durante las vacaciones de navidad de 1993. Por ello este año cumple 20 años. Y por eso, como si se tratase de una patente, lo hago de  dominio público.

    Este emulador permitirá insertar un pincho en el lugar del microprocesador y tracear, ejecutar, y ver la ejecución de un programa sobre un hardware que desarrollemos con 8051.

 Historia

    Esto ahora está muy extendido, pero en 1993, que es cuando lo desarrollé era una herramienta muy cara.
   Este al igual que otro que podré para Z80, se puede realizar por 30€, y el coste entonces de uno equivalente estaba en 6000€. Por lo que valía la pena hacerlo.

   Me lo intentaron copiar, por supuesto, pero no llegue a comercializarlos, por estar metido en otra guerra. Ahora servirá simplemente para mostrar código ASM. No solo el hard es sencillo, sino además el software de emulación está enteramente en ensamblador. 

   Esto me permite ahora colocar todo el código del depurador, el cual incorpora un  desensamblador, ventanas de Dump, Gestión de la tarjeta 48iocent, Traceo, control DMA etc.

 Hardware

  La tarjeta es esta:

EMULADOR 8051

  

     Como se puede ver la tarjeta no puede ser mas simple. 

      Básicamente esta tarjeta es un medio de conseguir acceder a la tarjeta a probar y al micro de forma separada. 

     Mediante una serie de elementos, vamos a poder aislar el microprocesador de la placa, para poder leer y manejar el Hard de la placa a probar desde el PC. 

     Igualmente estos elementos de la placa nos permitirán tener conectado al microprocesador 8051 a la placa de prueba cuando lo deseemos, pudiendo poner en marcha el sistema.

       En ningún momento ejecutaremos instrucciones, ni secuencias desde el PC. Esto no maneja la placa de prueba emulando al 8051. Lo que realmente hace es conectar a este con la placa cuando lo necesitemos. De esta forma, la ejecución es siempre real. Pudiendose poner el sistema en marcha a la velocidad de reloj real.

       Para conseguir mayor velocidad en el traceo, realicé el soft en ensamblador.

Principio de Funcionamiento

       El principio del sistema es DMA. Generamos DMA, para acceder al programa interno de la placa a probar, para conocer su estado de memoria y sus datos, y para leer y escribir el programa o los datos. 

       En este caso, como el 8051 no tiene gestión de DMA, hemos colocado unos buffer que realizarán esta función. Los integrados U2,U3 y U4 tienen la misión de aislar el 8051 del bus de la tarjeta. De esta forma podremos tomar el control de la tarjeta desde el PC cuando lo necesitemos. Esto nos genera un control DMA, básico para poder tracear.

     Esta tarjeta emulador será transparente 100% para el programa. No consume interrupciones, no consume memoria, no consume, puertos. Podrá ser enchufado a cualquier placa que se desarrolle o haya sido ya montada. No necesita tener el programa en el PC, pues el emulador toma el programa de la propia tarjeta. Por ello se puede tracear una tarjeta desconocida, con solo soltar el micro y conecta en su lugar el zócalo de este emulador.

        

Funcionamiento

      El conector JP1 es el conector en el que están, en orden, los 6 puertos de la tarjeta 48iocent. En este caso mediante un conector con cable plano de 60 pines, se conecta a esta tarjeta, y por el otro lado el cable se divide para ir conectado 6 conectores de 10 pines para cable plano. Uno a cada puerto,de la tarjeta 48IOCEN.

       El conector JP2 es en cambio un conector de 40 pines para cable plano de formato DIP40, el cual será usado para enchufar en el zócalo en que irá luego el microprocesador.

       Dado que esto se usará con una placa real, el reloj de ejecución debería de poder ser el el real. Por ello el U7, se encargará de generar un reloj mediante el cristal que se encuentre en la placa de prueba, preparado para el 8051. La frecuencia generada por este reloj podrá ser usada como frecuencia de reloj del 8051. Así mismo, mediante un señal recogida del PC a través de la tarjeta 48iocent, podremos generar otro reloj controlado por el PC. De esta forma se podrá trabajar con la placa de prueba a la velocidad real, o a velocidad controlada. Incluso se podrá detener la ejecución en cualquier momento, y en cualquier ciclo de reloj del microcontrolador. Esto nos permite verificar mediante un simple milímetro cualquier el estado de cualquier señal del bus, en cualquier estado de acceso a programa, datos, buses, etc.

   La frecuencia de reloj que llega al microporcesador U6, estará tomada de este generador interno de la placa Emulador 8051, o de una señal que viene del PC a través de la tarjeta 48IOcent. Esta selección se hace mediante U5. Mediante esta selección podremos pasar de Modo Run,en tiempo real, a Mode Trace, paso a paso, o como he dicho, parar la instrución en cualquier punto de ejecución.  Esto nos permite tracear prácticamente a nivel de microinstrución.

   

     El Acceso Directo a Memoria, DMA se activa mediante la señal RQPC, la cual bloque el paso de datos desde el microprocesador a la placa prototipo. Para ello, la señal procedente de la placa 48IOcent. Es enviada a un inversor (U3B), para que active o desactive los buffers U1, U2 y U4. El U3B simplemente mantiene la lógica, para que un nivel alto en RQPC bloquee las puertas y pase los integrados 74LS245 a estado flotante. De esta forma quedan los buses libres para que el PC pueda escribir en ellos.

    U1 y U2 aíslan el bus de datos y direcciones entre el microprocesador de la tarjeta y el zócalo del micro de la tarjeta a probar. Aísla el micro para crear el DMA. U2 funcionará en modo bidireccional, seleccionado por RD.

     U4 aísla las señales de control de microprocesador, para que sea el PC y no el micro el que controle el bus de la placa.

      Cuando el micro esté ejecutando, la señal RQPC estará a 0, y los puertos de la tarjeta 48IOcENT, que estén conectados a los buses de datos, direcciones y control estarán en estado flotante, para no interferir.

       Cuando deseemos conectarnos y leer la memoria de la tarjeta prototipo analizada pondremos RQPC a 1 y activaremos los puertos de la tarjeta 48IOCEN, para que desde y por ellos activemos las señales de control, datos y direcciones de la placa.

    

   La señal del pin 16 que va a la placa prototipo, y sería el WR del micro original ,está procesada por medio de U5 de manera que no solo mande escribir en la memoria, siempre que se de orden de leer desde el PC.

   Ahora solo queda realizar un programa capaz de controlar esta tarjeta, y desensamblar  y tracear el programa que contenga el prototipo.

     Para ello, como siempre, primero crearé una libería de funciones para el simulador 8051, la cual, configurará la carta 48IOCENT, para cada operación, y nos permitirá realizar todas las funciones de acceso a memoria de la tarjeta y de traceo. Así mismo tendremos las funciones de pantalla para realizar el dump, visualizar los registros del microprocesador, y visualizar el programa.

       Un caso muy especial es sacar los registros del microprocesador al exterior.

  

Prototipo inicial del emulador

Prototipo unido a la tarjeta prototipo 48IOCENT

                   

Prototipo 8051, ya en placa