AVR AT90S1200 IP核設(shè)計(jì)及復(fù)用技術(shù)

1 引言

　　隨著芯片集成程度的飛速提高，一個(gè)電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)可以完全集成在一個(gè)芯片上，IC產(chǎn)業(yè)中形成了以片上系統(tǒng)SOC(System-on-Chip)技術(shù)為主的設(shè)計(jì)方式。同時(shí)IC設(shè)計(jì)能力和EDA工具卻相對(duì)落后于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，兩者之間日益加劇的差距已經(jīng)成為SOC技術(shù)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)突出的障礙。采用基于IP復(fù)用技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)是減小這一差距惟一有效的途徑，IP復(fù)用技術(shù)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:IP核生成和IP核復(fù)用。文中采用IP核復(fù)用方法和SOC技術(shù)基于AVR 8位微處理器AT90S1200IP Core設(shè)計(jì)專(zhuān)用PLC微處理器FSPLCSOC模塊。

　　2 IP核復(fù)用

　　IP核復(fù)用(IP Core Reuse)是指在集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)繼承、共享或購(gòu)買(mǎi)所需的知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核(第三方IP核)，然后再利用EDA工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和驗(yàn)證。IP核是IP復(fù)用的載體和核心內(nèi)容，基于應(yīng)用需求、規(guī)范協(xié)議和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同，IP核的內(nèi)容也是千差萬(wàn)別的。在IC產(chǎn)業(yè)中，IP核被定義為用于ASIC， ASSP， PLD等芯片中，且預(yù)先定義好功能、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、可重復(fù)利用的電路功能模塊，如PCI接口核、ADC核，F(xiàn)IR濾波器核、SDRAM控制器核等。根據(jù)IC設(shè)計(jì)層次的不同。IP核分為以下三類(lèi):軟IP(Soft IP)、硬IP(Hard IP)，固IP (Firm IP)。文中主要涉及到軟IP核設(shè)計(jì)和復(fù)用。軟IP是可類(lèi)比、綜合的硬件描述語(yǔ)言(HDL)模型，通常是可綜合的RTL模型，包括邏輯描述、網(wǎng)表和測(cè)試的文檔(Testbench)。軟IP設(shè)計(jì)周期短、投人少，與工藝無(wú)關(guān)，可靈活修改，在設(shè)計(jì)中只須對(duì)時(shí)序、面積和功耗進(jìn)行修正，可復(fù)用性最高。基于軟核的設(shè)計(jì)(Soft Core-based design)是一種非常實(shí)用的SOC設(shè)計(jì)方法。它將系統(tǒng)的功能劃分為不同的軟核，包括微處理器、ALU、ROM、PC、ROM、I/0等。由于軟IP核僅提供能夠綜合的HDL描述，因此復(fù)用前需要深人地了解HDL文件描述的RTL模型，采用適當(dāng)工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，再重新進(jìn)行綜合、布局布線、后仿真提取網(wǎng)表、驗(yàn)證時(shí)序等反復(fù)工作，最后集成到SOC設(shè)計(jì)中，因此SOC設(shè)計(jì)即生成的IP核和第三方復(fù)用IP核集成整合。

　　3 FSPLC微處理器IP核設(shè)計(jì)

　　3.1 IP軟核生成

　　文中基于AVR8位微處理器分析實(shí)際PLC梯形圖及其指令表，設(shè)計(jì)邏輯處理器LP、布爾處理器BP、存儲(chǔ)器位接口MBI等3個(gè)模塊用于提高PLC執(zhí)行速度，下面以邏輯處理器LP單元模塊為例，描述IP軟核生成。PLC梯形圖包括8種基本電路:左分支觸點(diǎn)LBC/非觸點(diǎn)LBCN，右分支觸點(diǎn)RBC/非觸點(diǎn)RBCN，雙分支觸點(diǎn)DBC/非觸點(diǎn)DBCN，不分支觸點(diǎn)NBC/不分支非觸點(diǎn)NBCN。文中根據(jù)這8種基本電路設(shè)計(jì)一個(gè)16xl6觸點(diǎn)矩陣電路，即邏輯處理器LP單元，矩陣中各個(gè)觸點(diǎn)由電子電路模擬PLC梯形圖基本電路。在任何一個(gè)觸點(diǎn)上包括橫線輸入、豎線輸入、引出輸出線圈。觸點(diǎn)矩陣中共有256個(gè)橫線輸入圈節(jié)點(diǎn)hi，240個(gè)豎線輸入圈節(jié)點(diǎn)vi，256個(gè)輸出線圈Io。當(dāng)一行超過(guò)16時(shí)，轉(zhuǎn)向下一行，以此構(gòu)成矩陣電路，如hi[i]，vi[i]，lo[i]表示某個(gè)觸點(diǎn)的橫線輸入、豎線輸入、輸出，那么其同行的下一個(gè)觸點(diǎn)的橫線輸入、豎線輸入、輸出分別為hi[i+ 1]、vi[i+1]、lo[i+1]，其同列的下一個(gè)觸點(diǎn)hi[i+16]、vi[i+16]、lo[i+16]，那么輸出觸點(diǎn)的表達(dá)式為

I0[i]=I0[i-1]hi[i]+vi[i-16]lo[i-16]+vi[i]lo[i+16-1]hi[ i+16] 。

　　以此各個(gè)觸點(diǎn)彼此互相連接組成處理梯形圖的觸點(diǎn)矩陣。如圖1所示。

圖1 LP單元觸點(diǎn)電子電路模擬

　　邏輯處理器LP采用Verilog描述，借助Model-Sim進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證模塊功能的正確性。LP單元功能仿真波形如圖2所示。

圖2 LP單元功能仿真波形

　　驗(yàn)證功能正確后，借助Synosys的綜合工具Synplify Pro對(duì)模塊進(jìn)行綜合。綜合包括Compiling、Mapping、Optimization。綜合時(shí)將經(jīng)ModelSim。功能仿真驗(yàn)證的源代碼調(diào)人Synplify Pro，執(zhí)行Compiler，編譯后，創(chuàng)建約束文件。sdc，編輯約束文件對(duì)模塊添加約束條件，包括時(shí)鐘、面積、扇人扇出、延時(shí)等，添加約束后執(zhí)行綜合，產(chǎn)生網(wǎng)表文件。EDF。根據(jù)綜合后給出的。log文件觀察Constraint文件中的約束條件是否滿(mǎn)足需要，例如按照給出的“Worst Path Information，修改約束以滿(mǎn)足Worst Path的要求。綜合完成后在Quartus Ⅱ4。0展開(kāi)網(wǎng)表文件，布局布線后編譯形成。sof文件，將此文件下級(jí)到Alters Nios開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證正確后再借助ModelSim進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證。

　　3.2 AVRIP核復(fù)用

　　AVR8位微處理器AT90S1200IP核由opencores。org提供。整個(gè)微處理器IP核包括ALU、PC、SRAM、IR、ROM、I/0，控制等”個(gè)模塊，可以分成3個(gè)單元；取指單元、執(zhí)行單元和I/0單元。指令執(zhí)行時(shí)，取指單元負(fù)責(zé)取出下一個(gè)指令，執(zhí)行單元負(fù)責(zé)執(zhí)行當(dāng)前指令，而LO單元負(fù)資和外界的連接。取指單元和執(zhí)行單元組成微處理器的CPU。

　　整個(gè)AVRIP核包括許多寄存器:指令寄存器、指令備份寄存器、程序計(jì)數(shù)器、通用寄存器、存儲(chǔ)地址寄存器(MAR)，1/O口控制寄存器等。整個(gè)系統(tǒng)的工作就是基于這些寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)所有的寄存器以及它們之間的組合邏輯及其連接就是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)?？刂颇K決定怎樣進(jìn)行寄存器傳愉。數(shù)據(jù)通道和控制單元組成了整個(gè)微處理器。

　　對(duì)于AT90S12001P核復(fù)用，考慮到IP核在SOC中集成整合，首先須徹底了解所復(fù)用核的架構(gòu)和指令集，借助ModelSim進(jìn)行功能仿真，建立Testbench平臺(tái)測(cè)試波形驗(yàn)證功能的正確性，如圖3所示。編譯無(wú)誤且功能正確后借助Synplify Pro對(duì)IP核飾代碼進(jìn)行邏輯綜合，如果VHDL程序正確無(wú)誤并且其編程風(fēng)格符合Synplify Pro綜合要求，Synplify Pro將產(chǎn)生一個(gè)網(wǎng)表文件(。EDF文件)，再借助QuartusA4。0和ModelSim分別進(jìn)行FPGA驗(yàn)證和時(shí)序驗(yàn)證，此過(guò)程不斷循環(huán)，直至復(fù)用的微處理器IP核沒(méi)有任何錯(cuò)誤。

圖3 AVRIP復(fù)用測(cè)試平臺(tái)Testbench框圖

　　4 FSPLC微處理器核SOC設(shè)計(jì)

　　4.1 SOC硬件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)FSPLCSOC系統(tǒng)功能定義，設(shè)計(jì)完成FSPLC微處理器硬件結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 FSPLCSOC硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　FSPLCSOC由AT90S1200、布爾處理器BP、存儲(chǔ)器位接口MBI、邏輯處理器LP，CAN總線1。0接口CBI、底板總線接口BBI等6個(gè)模塊組成。AT90S1200模塊是SOC的核心，實(shí)現(xiàn)PLC指令的執(zhí)行；BP模塊由兩個(gè)位累加器和一個(gè)位邏輯堆淺BLS組成，該結(jié)構(gòu)可以有效處理IEC61131-3(國(guó)際電工委員會(huì)制訂的基于Windows編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn))PLC指令表語(yǔ)句中復(fù)雜的嵌套邏輯運(yùn)算，使運(yùn)行頻率最高的位指令達(dá)到最大的執(zhí)行速度；存儲(chǔ)器位接口模塊由一個(gè)存儲(chǔ)器位尋址接口邏輯和一個(gè)8選1選擇器組成，為布爾處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的位訪間接口；CAN總線1。0接口CBI模塊和外部基于Atmega8515的USB-CAN適配器相連，通過(guò)此適配器FSPLC可以和其他帶有CAN接口的PLC實(shí)現(xiàn)CAN通訊；通過(guò)底板總線接口BBI模塊可以在FSPLC片外擴(kuò)展模塊，最多可以達(dá)到8個(gè)，包括I/0擴(kuò)展模塊、AID模塊、D/A模塊、計(jì)數(shù)模塊等。其中AT90S1200，MBI，LP，CBI，BBI模塊通過(guò)內(nèi)部總線連接，BP通過(guò)MBI模塊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)和其他模塊的連接。

　　4.2 FSPLCSOC仿真、綜合、驗(yàn)證

　　由于SOC設(shè)計(jì)是一種面向IP核集成的設(shè)計(jì)，整合后的SOC模塊同第三方IP核復(fù)用一樣需要進(jìn)行模塊的仿真、綜合和驗(yàn)證。FSPLC SOC同復(fù)用AT90SI200核一樣借助ModelSim進(jìn)行功能仿真和驗(yàn)證后時(shí)序仿真，借助Synplify Pro進(jìn)行綜合。

　　下面具體描述FSPLCSOC的驗(yàn)證，SOC設(shè)計(jì)中包含了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)，因此SOC驗(yàn)證一般包含了模塊驗(yàn)證、芯片驗(yàn)證和系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)部分。由于FSPLCSOC涉及到的主要是數(shù)字IP核，文中采用Altera NioslI開(kāi)發(fā)板作為設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺(tái)，該開(kāi)發(fā)板帶有一個(gè)20多萬(wàn)門(mén)的Altera EP20K200EFC484-2的FPGA芯片、撥碼開(kāi)關(guān)、數(shù)碼顯示器等，用一個(gè)實(shí)際PLC應(yīng)用程序在此開(kāi)發(fā)板上對(duì)FSPLCSOC進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，同時(shí)通過(guò)對(duì)AVR編譯器Avral。0的編譯代碼變量中增加PLC指令代碼，使之能夠?qū)L(:指令進(jìn)行編譯。圖5，圖6分別為PLC控制程序的梯形圖及其匯編程序。

圖5 PLC控制程序的梯形圖

　　開(kāi)發(fā)板的撥碼開(kāi)關(guān)SWl的1、2、3、4來(lái)模擬上述開(kāi)關(guān)的閉合，觀察數(shù)碼顯示器Dl數(shù)碼段明暗，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。FSPLCSOC在Altera Nios開(kāi)發(fā)板的FPGA芯片上進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，獲得了理想的運(yùn)行效果:在33MHz晶振下，執(zhí)行基本邏輯指令速度為0。09μ/條，達(dá)到了國(guó)際上大中型PLC的處理速度。

圖6 PSPLC匯編程序

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　目前IC產(chǎn)業(yè)中，SOC已成為最主要的集成電路設(shè)計(jì)方法8位RISC微處理器芯片設(shè)計(jì)正在向SOC化發(fā)展，通過(guò)IP核復(fù)用方法以縮短周期、降低成本、提高效率。文中基于IP核復(fù)用和SOC技術(shù)借助ModelSim、Synplify Pro、QuartusⅡ等EDA軟件設(shè)計(jì)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)用PLC微處理器SOC模塊FSPLC，在復(fù)用了第三方AVRAT90SI200IP核基礎(chǔ)上集成了自行設(shè)計(jì)的LP、BP、MBI、CBI、BBI等模塊，具有快速處理PLC梯形圖程序、快速處理IL語(yǔ)句表中復(fù)雜的嵌套邏輯運(yùn)算、PLC之間CAN總線通訊等優(yōu)點(diǎn)。最后采用Altera NiosII作為驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)實(shí)際的PLC應(yīng)用程序做了可行性驗(yàn)證，獲得了理想的效果。