基于IP核的PSTN短消息終端SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計

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

關(guān)鍵詞 軟硬件協(xié)同設(shè)計 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)存儲器擴展頁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，主叫識別信息傳送）號碼的接收，振鈴信號檢測，話機狀態(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，還包括運行在其上的軟件成分。如果系統(tǒng)采用全硬件設(shè)計的方案，優(yōu)點是速度快、效率高，但是研制周期長，從而成本也高；用軟件實現(xiàn)則更為靈活，研制周期短。缺點是速度慢，效率比較低。因此，SoC設(shè)計必須在硬件與軟件功能劃分上有一個合理的權(quán)衡，并進行協(xié)同設(shè)計[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、人機交互、Flash存儲器管理和外設(shè)管理四部分。通信的物理層功能即DTMF/FSK信號的調(diào)制解調(diào)，涉及插值、加權(quán)、相關(guān)等DSP運算?？紤]到通信的實時性要求和所使用8位微控制器的數(shù)據(jù)處理能力，這些運算由專門設(shè)計的Modem硬件邏輯實現(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、超時控制、接收FSK數(shù)據(jù)幀、拆包、差錯控制、提取返回消息層的信息和相應(yīng)標志位的建立等，都交給微處理器由軟件實現(xiàn)。人機交互中的鍵盤掃描要不斷判斷是否有按鍵動作發(fā)生，用軟件實現(xiàn)效率低，這里也用專門的硬件邏輯實現(xiàn)。其他人機交互功能，如菜單操作、短信編輯等，則都由軟件實現(xiàn)。Flash存儲器管理和外設(shè)管理在硬件提供了接口寄存器的情況下，由軟件實現(xiàn)。

　　把實時性強、運算量大和重復(fù)性強的功能交給硬件去實現(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現(xiàn)。這樣降低了SoC的硬件復(fù)雜度以及制造成本，同時系統(tǒng)也可以獲得最大的靈活性。

3  SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計

3.1  對微控制器核的配置和擴展

　　DW8051_core是Synopsys公司提供的一個與8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4個時鐘周期為1個指令周期的模式，在時鐘周期相同的情況下，處理能力是標準8051的3倍。DW8051_core訪問程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的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分復(fù)用問題。

　　由于DW8051_core是一個IP軟核（soft core），所以可以對它進行配置和擴展。在綜合（synthesis）的時候，通過對參數(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/計數(shù)器2，使用1個串口還是2個串口等。用戶還可以按照DW8051_core手冊的要求使用硬件描述語言編寫硬件邏輯，擴展SFR總線和中斷系統(tǒng)（最多可以擴展到13級中斷）[3]。

　　在SoC設(shè)計中，只使用到了微控制器核的1個硬件定時器（Timer0），1個外部中斷（Interrupt0），1個串行口（UART），并沒有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只會增加系統(tǒng)的硬件負擔(dān)，所以按照最精簡的原則配置DW8051_core：使用內(nèi)部128字節(jié)RAM，不使用定時/計數(shù)器2，不使用內(nèi)部ROM，只使用1個串口，不擴展中斷。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;[!--empirenews.page--]

　　SoC中的FSK/DTMF調(diào)制解調(diào)器、LCD接口、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲器擴展頁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存儲器AM29LV040都連接在DW8051_core的MEM總線上，如圖1所示。

圖1  經(jīng)過擴展的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SFR地址總線sfr_addr[0:7]，SFR讀信號sfr_rd，SFR寫信號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]來訪問映射到SFR總線上的片上外設(shè)。每一個外設(shè)都通過SFR地址映射成SFR總線上的一個寄存器，如圖2所示。

　　對這些擴展SFR寄存器的訪問和對普通寄存器的訪問在形式上并沒有區(qū)別。當(dāng)應(yīng)用程序使用Keil的C51編譯器時，修改reg51.h文件可以讓編譯器確認用戶所擴展的SFR寄存器。對擴展SFR外設(shè)地址的分配可以根據(jù)設(shè)計需要而不同，但是只能使用DW8051_core沒有保留和占用的地址，否則會發(fā)生沖突。在reg51.h文件中添加以下語句讓編譯器確認擴展的寄存器：

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

　　為了節(jié)約SFR總線地址資源，一些擴展的SFR寄存器在硬件上設(shè)計為只能寫、不可讀，另外一些被設(shè)計為只能讀、不可寫。這樣，二者可以復(fù)用同一個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，運算后再進行寫回操作的時候就很不方便。這里采用了鏡像變量的方法，為每一個“只寫”寄存器建立一個全局變量，每次寫寄存器操作后，都對這個全局變量進行同樣的寫操作，時刻保持變量值和寄存器的內(nèi)容一致，在需要讀出的時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。下面以對這一位的操作為例說明。

　　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

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　　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);
}

　　在初始化程序中對這些“只寫”寄存器及其鏡像全局變量進行賦值。

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

3.3  存儲空間的劃分和映射

　　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。

　　對微控制器核來說，可以尋址64 KB的程序空間和64 KB的數(shù)據(jù)存儲空間。對整個SoC而言，因為Flash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。微控制器核通過擴展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16頁的頁面方式訪問Flash存儲器，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Flash存儲器件進行寫操作后的某一段時間內(nèi)（從幾十μs～幾百μs），對它進行讀操作是不能讀出一個確切值的，這是Flash存儲器件的一個特性。本設(shè)計中程序和數(shù)據(jù)存放在同一個AM29LV040 Flash存儲器中。在對Flash存儲器進行寫操作時，要不斷地從其中讀出進行寫操作的程序指令，然后對它本身進行寫操作。微控制器核在20 MHz的時鐘頻率下，指令周期大約是200 ns，即每隔200 ns左右，SoC就要從Flash存儲器中讀取一條指令。這顯然和上述的Flash存儲器特性發(fā)生了沖突。

　　通過對編譯環(huán)境的設(shè)定，可以把進行寫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Flash進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，解決了不能同時對Flash進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)

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