基于IP核的PSTN短消息終端SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

摘要 介紹在基于微控制器IP核的PSTN短消息終端SoC設(shè)計(jì)當(dāng)中，如何合理劃分硬件和軟件的功能；從對(duì)微控制器IP核的配置與擴(kuò)展、片上外設(shè)在SFR總線上的映射、存儲(chǔ)空間的劃分與映射等三個(gè)方面，詳細(xì)講述SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) IP核 SoC DW8051_core

1  概述

　　PSTN短消息終端SoC是為固定電話網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字終端處理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF調(diào)制解調(diào)器、LCD接口、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展頁(yè)面尋址接口以及線路狀態(tài)控制接口；可以完成FSK和DTMF格式的短消息上傳、下傳，CID（Calling Identity Delivery，主叫識(shí)別信息傳送）號(hào)碼的接收，振鈴信號(hào)檢測(cè)，話機(jī)狀態(tài)控制等功能[1]，提供了PSTN短消息終端的單芯片解決方案。其中，使用了DW8051_core IP核作為SoC的微控制器核心。

　　SoC（System on chip，片上系統(tǒng)）不僅指它的硬件平臺(tái)，還包括運(yùn)行在其上的軟件成分。如果系統(tǒng)采用全硬件設(shè)計(jì)的方案，優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高，但是研制周期長(zhǎng)，從而成本也高；用軟件實(shí)現(xiàn)則更為靈活，研制周期短。缺點(diǎn)是速度慢，效率比較低。因此，SoC設(shè)計(jì)必須在硬件與軟件功能劃分上有一個(gè)合理的權(quán)衡，并進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)[2]。

2  SoC系統(tǒng)任務(wù)的軟硬件功能劃分

　　系統(tǒng)任務(wù)按功能可以分為通信、人機(jī)交互、Flash存儲(chǔ)器管理和外設(shè)管理四部分。通信的物理層功能即DTMF/FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，涉及插值、加權(quán)、相關(guān)等DSP運(yùn)算?？紤]到通信的實(shí)時(shí)性要求和所使用8位微控制器的數(shù)據(jù)處理能力，這些運(yùn)算由專門設(shè)計(jì)的Modem硬件邏輯實(shí)現(xiàn)；而在數(shù)據(jù)鏈路層，比如建立和釋放與服務(wù)器的連接、超時(shí)控制、接收FSK數(shù)據(jù)幀、拆包、差錯(cuò)控制、提取返回消息層的信息和相應(yīng)標(biāo)志位的建立等，都交給微處理器由軟件實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互中的鍵盤掃描要不斷判斷是否有按鍵動(dòng)作發(fā)生，用軟件實(shí)現(xiàn)效率低，這里也用專門的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。其他人機(jī)交互功能，如菜單操作、短信編輯等，則都由軟件實(shí)現(xiàn)。Flash存儲(chǔ)器管理和外設(shè)管理在硬件提供了接口寄存器的情況下，由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　把實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)算量大和重復(fù)性強(qiáng)的功能交給硬件去實(shí)現(xiàn)，然后在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，把盡可能多的任務(wù)留給片上的微控制器用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣降低了SoC的硬件復(fù)雜度以及制造成本，同時(shí)系統(tǒng)也可以獲得最大的靈活性。

3  SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

3.1  對(duì)微控制器核的配置和擴(kuò)展

　　DW8051_core是Synopsys公司提供的一個(gè)與8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4個(gè)時(shí)鐘周期為1個(gè)指令周期的模式，在時(shí)鐘周期相同的情況下，處理能力是標(biāo)準(zhǔn)8051的3倍。DW8051_core訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的MEM地址總線是16位總線，避免了傳統(tǒng)8051結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)總線和地址總線低位的時(shí)分復(fù)用問(wèn)題。

　　由于DW8051_core是一個(gè)IP軟核（soft core），所以可以對(duì)它進(jìn)行配置和擴(kuò)展。在綜合（synthesis）的時(shí)候，通過(guò)對(duì)參數(shù)文件的設(shè)置，可以選擇配置內(nèi)部RAM是128字節(jié)還是256字節(jié)；可以選擇是否使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器2，使用1個(gè)串口還是2個(gè)串口等。用戶還可以按照DW8051_core手冊(cè)的要求使用硬件描述語(yǔ)言編寫硬件邏輯，擴(kuò)展SFR總線和中斷系統(tǒng)（最多可以擴(kuò)展到13級(jí)中斷）[3]。

　　在SoC設(shè)計(jì)中，只使用到了微控制器核的1個(gè)硬件定時(shí)器（Timer0），1個(gè)外部中斷（Interrupt0），1個(gè)串行口（UART），并沒(méi)有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只會(huì)增加系統(tǒng)的硬件負(fù)擔(dān)，所以按照最精簡(jiǎn)的原則配置DW8051_core：使用內(nèi)部128字節(jié)RAM，不使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器2，不使用內(nèi)部ROM，只使用1個(gè)串口，不擴(kuò)展中斷。在DW8051_parameter.vhd文件中，作如下的參數(shù)設(shè)定[3]可以完成上述配置：

　　package DW8051_parameter is
constant ram_256 : integer := 0;
constant timer2 : integer := 0;
constant rom_addr_size : integer := 0;
constant serial : integer := 0;
constant extd_intr : integer := 0;
end DW8051_parameter;

　　SoC中的FSK/DTMF調(diào)制解調(diào)器、LCD接口、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展頁(yè)面尋址接口以及線路狀態(tài)控制接口等，都作為片內(nèi)外設(shè)連接在DW8051_core所特有的SFR內(nèi)部總線上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存儲(chǔ)器AM29LV040都連接在DW8051_core的MEM總線上，如圖1所示。

圖1  經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的DW8051_core SFR總線以及SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2  外設(shè)在SFR總線上的地址映射

　　DW8051_core通過(guò)SFR地址總線sfr_addr[0:7]，SFR讀信號(hào)sfr_rd，SFR寫信號(hào)sfr_wr，SFR數(shù)據(jù)輸出總線sfr_data_out[0:7]，數(shù)據(jù)輸入總線sfr_data_in[0:7]來(lái)訪問(wèn)映射到SFR總線上的片上外設(shè)。每一個(gè)外設(shè)都通過(guò)SFR地址映射成SFR總線上的一個(gè)寄存器，如圖2所示。

　　對(duì)這些擴(kuò)展SFR寄存器的訪問(wèn)和對(duì)普通寄存器的訪問(wèn)在形式上并沒(méi)有區(qū)別。當(dāng)應(yīng)用程序使用Keil的C51編譯器時(shí)，修改reg51.h文件可以讓編譯器確認(rèn)用戶所擴(kuò)展的SFR寄存器。對(duì)擴(kuò)展SFR外設(shè)地址的分配可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要而不同，但是只能使用DW8051_core沒(méi)有保留和占用的地址，否則會(huì)發(fā)生沖突。在reg51.h文件中添加以下語(yǔ)句讓編譯器確認(rèn)擴(kuò)展的寄存器：

　　sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 擴(kuò)展，發(fā)送Modem數(shù)據(jù)，只寫 */
sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 擴(kuò)展，讀FSK解調(diào)數(shù)據(jù)，只讀 */
sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 擴(kuò)展，讀DTMF解調(diào)數(shù)據(jù)，只讀 */
sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 擴(kuò)展，Modem狀態(tài)，只讀 */
sfr MODEM_CTRL = 0xf2;/* 擴(kuò)展，Modem控制，只寫 */
sfr KEYPAD_VALUE = 0xf4;/* 擴(kuò)展，讀鍵盤值，只讀 */
sfr FLASH_PAGE = 0xf5; /* 擴(kuò)展，頁(yè)面尋址，只寫 */
sfr LCD_DATA = 0xf6; /* 擴(kuò)展，LCD數(shù)據(jù)，讀寫 */
sfr LCD_CTRL = 0xf7; /* 擴(kuò)展，LCD控制，只寫 */
sfr CIRCUIT_STATUS = 0xff; /* 擴(kuò)展，線路狀態(tài)，只讀 */
sfr CIRCUIT_CTRL = 0xff; /* 擴(kuò)展，線路控制，只寫 */

　　為了節(jié)約SFR總線地址資源，一些擴(kuò)展的SFR寄存器在硬件上設(shè)計(jì)為只能寫、不可讀，另外一些被設(shè)計(jì)為只能讀、不可寫。這樣，二者可以復(fù)用同一個(gè)SFR總線地址，比如MODEM_CTRL和READ_DTMF_DECODE寄存器；但是這樣在需要先將那些“只寫”寄存器的內(nèi)容讀出，運(yùn)算后再進(jìn)行寫回操作的時(shí)候就很不方便。這里采用了鏡像變量的方法，為每一個(gè)“只寫”寄存器建立一個(gè)全局變量，每次寫寄存器操作后，都對(duì)這個(gè)全局變量進(jìn)行同樣的寫操作，時(shí)刻保持變量值和寄存器的內(nèi)容一致，在需要讀出的時(shí)候就使用此全局變量。MODEM_CTRL寄存器的bit0控制Modem是DTMF還是FSK模式。下面以對(duì)這一位的操作為例說(shuō)明。

　　建立它的鏡像全局變量：

　　unsigned char xdata modem_ctrl_mirror;

　　定義控制位：

　　#define MODEM_B0_MODE0x01// 1-DTMF, 0-FSK

圖2  片上外設(shè)在SFR總線上的物理連接

　　設(shè)置Modem為FSK模式：

void Modem_SetMode_FSK() {
MODEM_CTRL = modem_ctrl_mirror & (~MODEM_B0_MODE);
modem_ctrl_mirror = modem_ctrl_mirror & (~MODEM_B0_MODE);
}

　　在初始化程序中對(duì)這些“只寫”寄存器及其鏡像全局變量進(jìn)行賦值。

void DevicesInit() {
MODEM_CTRL = MODEM_CTRL_INI;
modem_ctrl_mirror = MODEM_CTRL_INI;
}

3.3  存儲(chǔ)空間的劃分和映射

　　在物理上，把8KB的片內(nèi)RAM分為兩部分，0000H～1BFFH（共7 KB）映射到數(shù)據(jù)空間，1C00H～1FFFH（共1 KB）映射到程序空間，并覆蓋Flash中程序空間的1C00H～1FFFH區(qū)域；把512 KB的Flash存儲(chǔ)器也分成兩部分，00000H～0FFFFH（共64 KB）映射到程序空間，剩下的10000H～7FFFFH（共448 KB）都映射到數(shù)據(jù)空間。

　　對(duì)微控制器核來(lái)說(shuō)，可以尋址64 KB的程序空間和64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。對(duì)整個(gè)SoC而言，因?yàn)镕lash中的程序空間有1 KB被RAM程序空間覆蓋掉，所以邏輯上它的程序空間依然是64 KB，但數(shù)據(jù)空間變?yōu)? KB＋448 KB，共455 KB。微控制器核通過(guò)擴(kuò)展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16頁(yè)的頁(yè)面方式訪問(wèn)Flash存儲(chǔ)器，其中包括程序空間和數(shù)據(jù)空間，如圖3所示。

圖3  程序空間和數(shù)據(jù)空間的劃分和映射

　　在對(duì)Flash存儲(chǔ)器件進(jìn)行寫操作后的某一段時(shí)間內(nèi)（從幾十μs～幾百μs），對(duì)它進(jìn)行讀操作是不能讀出一個(gè)確切值的，這是Flash存儲(chǔ)器件的一個(gè)特性。本設(shè)計(jì)中程序和數(shù)據(jù)存放在同一個(gè)AM29LV040 Flash存儲(chǔ)器中。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作時(shí)，要不斷地從其中讀出進(jìn)行寫操作的程序指令，然后對(duì)它本身進(jìn)行寫操作。微控制器核在20 MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期大約是200 ns，即每隔200 ns左右，SoC就要從Flash存儲(chǔ)器中讀取一條指令。這顯然和上述的Flash存儲(chǔ)器特性發(fā)生了沖突。

　　通過(guò)對(duì)編譯環(huán)境的設(shè)定，可以把進(jìn)行寫Flash操作的函數(shù)unsigned char WriteData_FLASH (unsigned char * dest, unsigned char *scr, unsigned int len) 和Flash扇區(qū)擦除函數(shù)unsigned char EraseSector_FLASH (unsigned char sector_index)定位到程序空間的1C00H～1FFFH，并備份到數(shù)據(jù)空間的0EC00H～0EFFFH。在應(yīng)用程序的設(shè)備初始化函數(shù)void DevicesInit()中，調(diào)用加載函數(shù)void LoadFLASHOpToRAM()，把對(duì)Flash進(jìn)行寫或者擦除操作的這1KB的程序代碼從Flash加載到RAM的程序空間。以后凡是涉及到對(duì)Flash的寫或者擦除操作，都由硬件邏輯切換總線到RAM去執(zhí)行這一段程序代碼。這樣，以不大的RAM開銷，解決了不能同時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行讀和寫操作的矛盾。函數(shù)void LoadFLASHOpToRAM()的代碼如下：

#define PROG_RAM_DATA0xEC00
#define PROG_RAM_DATA_PAGE9
static unsigned char xdata RAM_prog[1024] _at_ 0x1C00;
void LoadFLASHOpToRAM(){
unsigned char xdata * p;
FLASH_PAGE = PROG_RAM_DATA_PAGE;
p = (unsigned char xdata *)PROG_RAM_DATA;
memcpy(RAM_prog,p,1024);
}

4  總結(jié)

　　本文詳細(xì)講述了在基于微控制器IP核PSTN短消息終端SoC設(shè)計(jì)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。在合理劃分硬件和軟件任務(wù)的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)更好地達(dá)到了系統(tǒng)性能的要求?，F(xiàn)在SoC已經(jīng)在Xilinx VirtexII 2v1000 FPGA驗(yàn)證平臺(tái)上順利運(yùn)行，并成功進(jìn)行了和服務(wù)器的互聯(lián)互通測(cè)試。