基于單片機軟核的SOPC系統(tǒng)設計與實現

隨著微電子工藝技術和IC設計技術的不斷提高，整個系統(tǒng)都可集成在一個芯片上，而且系統(tǒng)芯片的復雜性越來越高。為了提高效率，復用以前的設計模塊已經成為系統(tǒng)世馘 （SOC）設計的必上之路。SOC的實現基本上有兩種方法，一種是用ASIC芯片實現，另一種是FPGA或PLD芯片實現。后一種實現也稱為SOPC實現。SOPC技術是美國Altera公司于2000年最早提出的，即用大規(guī)模可編程器件實現SOC的功能。它為SOC的實現提供了一種簡單易行而又成本低廉的手段，極大地促進了SOC的發(fā)展。本文設計就是采用SOPC技術，在一塊FPGA芯片上，實現一個水文測報通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)是專門為國家防汛指揮系統(tǒng)項目而開發(fā)的實時多任務的前置通信控制機，用于實現水文數據的傳輸、處理和存儲。

國家防汛指揮系統(tǒng)工程啟動之后，對水文測報網絡中的通信控制機性能提出了更加苛刻的要求：更多、更快速的通信端口；更大的存儲容量；更高的可靠性；更強的實時性；更強的可操作性；更便捷的應用程序開發(fā)平臺。為了實現這些要求，以前曾采有傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)完成這項工作，但這些方法存 幾大缺陷：（1）系統(tǒng)占用面積比較大；（2）管腳的數量比較多，因而電路板問題引導發(fā)故障較多；（3）電路板信號傳送之間存在干擾，系統(tǒng)運行速度難以達到要求。針對這些問題，本文采用SOC設計方式，進行軟硬件協(xié)同設計，把整個可復用的內核如8051IP核、USB IP核、UART IP核等集成在一塊FPGA芯片上，用WISHBONE總線構成一個完整的片上通信系統(tǒng)。實驗結果證明：該系統(tǒng)所占用的面積縮小為原來的四分之一，管腳數量減少了三分之一，系統(tǒng)運行的速度也提高了。USB IP核的速度可以達到60MHz，完全滿足設計要求。

1 系統(tǒng)實現方案

1．1 系統(tǒng)結構說明

本設計采用ALTERA公司的開發(fā)平臺，即在一塊ALTERA公司的Cyclone系列FPGA芯片上構建SOPC系統(tǒng)。芯片內部IP核的結構示意圖如圖1所示。

圖中，系統(tǒng)核心8051 IP核采用的是第三方的圖件，遵守GPL協(xié)議的公開源代碼，指令體系與標準的8051兼容，全同步設計，并且通過修改包含了測試器接口；源代碼由VHDL語言寫成，擁有良好的注釋及可擴展性。其它IP核如UART IP核、I2C IP核、USB IP核等都是自行設計的；圖中總線采用的是WISHBONE片上總線。

1．2 系統(tǒng)功能的實現

系統(tǒng)的主要功能是數據傳輸。從圖1所示的結構圖可見，內部數據傳輸采用的是總線結構，所有的設備都是通過總線進行數據傳送的，因此設計的核心是總線數據傳輸。本文設計采用的是SILICORE公司的WISHBONE片上總線標準。片上總線（On-Chip Bus,OCB）是實現SOC中IP核連接最常見的技術手段，它以總線方式實現IP核之間的數據通信。與板上總線不同，片上總線不用驅動底板上的信號和連接器，使用更簡單，速度更快。WISHBONE是一種主/從結構的總線，所有的IP核掛接在WISHBONE總線上，其規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結構。本系統(tǒng)選取8051 IP核為主，其它IP核為從，主/從IP核通過握手信號使數據在WISHBONE總線上進行交換。

下面詳細說明WISHBONE總線功能的實現。WISHBONE主設備核（8051 IP）與WISHBONE從設備核（USB IP核、UART IP核、I2C IC核等）端口信號連接圖如圖2所示；主設備核讀取從設備核數據的時序示決圖如圖3所示。寫操作時序與之類似。