基于FPGA的SOC外部組件控制器IP的設(shè)計(jì)

1 引言

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［1］。SOC（System On a Chip）則是嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)熱點(diǎn)。SOC 的核心概念是把整個(gè)系統(tǒng)集成到一片半導(dǎo)體芯片上。目前SOC 的中文名稱還不統(tǒng)一，可被叫做集成系統(tǒng)芯片、系統(tǒng)芯片或片上系統(tǒng)等?；诳删幊唐骷?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA（Field programmable Gate Arrays）的SOC 可被稱作SOPC（System on a Programmable Chip）或PSOC(Programmable SOC) ［2］?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA 的設(shè)計(jì)為可重配置（reconfigurable）的SOC 的開發(fā)帶來了方便［3］。SOC 運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和微電子學(xué)的高技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)集成，減小了體積、提高了運(yùn)行效率、增強(qiáng)了可靠性、降低了功耗、減少了成本，因此被稱作嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的理想結(jié)構(gòu)和高端形式。

IP（Intellectual Property）是SOC 設(shè)計(jì)不可或缺的部分。在某種程度上，可以說SOC=MP+IP。微處理器MP（Microprocessor）是SOC 的核心。IP 是SOC 各種功能實(shí)現(xiàn)的模塊。IP 模塊也被稱作IP 核，IP 核又可分為硬核、軟核、固核［4］。由于SOC 是針對(duì)某種應(yīng)用或?qū)ο笤O(shè)計(jì)的專用系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于功能模塊的設(shè)計(jì)。此外，許多MP 核可以在市場上買到。因此，IP 模塊的開發(fā)已成為許多用戶設(shè)計(jì)SOC 的主要工作。

本文側(cè)重于介紹IP 模塊中組件控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。一個(gè)基于FPGA 的LCD 控制器設(shè)計(jì)作為例子被介紹。這個(gè)組件控制器設(shè)計(jì)屬于固核IP 設(shè)計(jì)，也就是軟硬結(jié)合的方法。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括電路結(jié)構(gòu)、VHDL 框架和仿真結(jié)果。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向可重配置SOC 的單指令驅(qū)動(dòng)LCD 操作。

2 SOC 組件與組件控制器

SOC 組件是SOC 為實(shí)現(xiàn)某種操作功能所需要的器件或設(shè)備。這些組件可以是內(nèi)部的也可以是外部的，如LCD、鍵盤、設(shè)備驅(qū)動(dòng)器等是外部組件，電子轉(zhuǎn)換器、變換器、放大器等則屬于內(nèi)部組件。無論是內(nèi)部，還是外組件，其控制單元都要被設(shè)計(jì)在SOC 內(nèi)部。作為一個(gè)系統(tǒng)的核心，SOC要完成運(yùn)行、操作或控制功能，必須有相應(yīng)的組件配合。而多數(shù)組件，尤其是外部組件在SOC 內(nèi)都要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的控制器。所以，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用對(duì)象操作，SOC 要設(shè)計(jì)相當(dāng)數(shù)量的組件控制器。組件控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)SOC 而言就是一些IP 模塊的設(shè)計(jì)。

SOC 與外部組件的基本關(guān)系見圖1。相對(duì)于外部組件而言，SOC 由微處理器核MP（microprocessor）和相關(guān)的控制器IP 構(gòu)成。為了得到最優(yōu)的控制效率，SOC 的MP 常常被設(shè)計(jì)成可重配置（reconfigurable）的MP［5］。這意味著用戶可對(duì)MP 的一些配置進(jìn)行修改和添加以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，如用戶可以對(duì)MP 的指令系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，設(shè)計(jì)加入用戶需要的專用指令。為了區(qū)別于一般的MP，圖1 中的給出了SOC-MP 來代表用于SOC 的MP 核

圖1 SOC 與外部組件的基本關(guān)系

SOC的組件控制器與專用指令配合可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜操作的單指令運(yùn)行，從而大大提高了SOC應(yīng)用系統(tǒng)的操作速度和運(yùn)行效率［6］。這也正是嵌入式系統(tǒng)的專用設(shè)計(jì)特性和高效控制優(yōu)勢的體現(xiàn)。

盡管SOC 的IP 核分為硬核、軟核、固核，對(duì)于非專業(yè)集成電路設(shè)計(jì)的用戶來說，多數(shù)采用基于FPGA 的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上也就是軟硬結(jié)合的IP 固核設(shè)計(jì)。本文介紹的是一種用VHDL 硬件描述語言在FPGA 上設(shè)計(jì)SOC 外部組件控制器IP 的方法。

3 LCD 控制器的設(shè)計(jì)

液晶顯示器 LCD（Liquid Crystal Display）是SOC 的一種外部組件，會(huì)經(jīng)常被用到。為了實(shí)現(xiàn)SOC 對(duì)LCD 的高效管理，要設(shè)計(jì)一個(gè)LCD 控制器IP 模塊。這個(gè)模塊被命名為lcd_fct。外部組件LCD 與SOC 的關(guān)系與控制結(jié)構(gòu)可參考圖2。

對(duì)照?qǐng)D1 可以看出，圖2 中的lcd_fct 是外部組件控制器IP，它位于LCD 和MP 之間，通過數(shù)據(jù)（data）、地址線（address）、控制（control, write_e）和信號(hào)線（lcd_busy）等與MP 和LCD 建立聯(lián)系。

圖2 外部組件LCD 的SOC 控制結(jié)構(gòu)

在這個(gè)設(shè)計(jì)中對(duì)LCD 控制器lcd_fct 的要求是：lcd_fct 接受來自MP 的指令，如初始化、清屏和顯示等。lcd_fct 按照指令的要求產(chǎn)生一系列控制信號(hào)和相應(yīng)的時(shí)序來控制LCD 模塊完成相應(yīng)的操作。實(shí)際上，lcd_fct 對(duì)LCD 模塊的操控主要包括LCD 初始化、清屏、傳送顯示數(shù)據(jù)和地址。

當(dāng)lcd_fct 的輸入信號(hào)reset 是低電平時(shí)，復(fù)位電路（Reset Circuit）開始工作，進(jìn)行初始化操作、對(duì)標(biāo)志和狀態(tài)清零、設(shè)定相關(guān)常數(shù)等。

時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路（Clock Regulator）主要為定時(shí)器提供具有高質(zhì)量波形的時(shí)鐘。為滿足運(yùn)行中不同時(shí)序的需要, lcd_fct 中設(shè)計(jì)了微秒定時(shí)器（μs Timer）和毫秒定時(shí)器（ms Timer）。定時(shí)的時(shí)間常數(shù)被放在時(shí)間常數(shù)寄存器（Time Constant Register）中。

從MP 來的地址（addrin）和控制（write_e）信息被送到譯碼器（Decoder）。譯碼器根據(jù)不同的地址和控制信息產(chǎn)生相應(yīng)的指令標(biāo)志，如復(fù)位、清零等。并把指令標(biāo)志送給控制電路（Control Circuit）。