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)。SoC（System on a Chip）則是嵌入式系統(tǒng)的研究和開(kāi)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(chēng)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?；诳删幊唐骷﨔PGA（Field programmable Gate Arrays）的SoC可被稱(chēng)作SoPC（System on a Programmable Chip）或PSoC(Programmable SoC)。基于FPGA的設(shè)計(jì)為可重配置（reconfigurable）的SoC的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了方便。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(chēng)作嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的理想結(jié)構(gòu)和高端形式。 IP（IntellectualProperty）是SoC設(shè)計(jì)不可或缺的部分。在某種程度上，可以說(shuō)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(chēng)作IP核，IP核又可分為硬核、軟核、固核。由于SOC是針對(duì)某種應(yīng)用或?qū)ο笤O(shè)計(jì)的專(zhuān)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴(lài)于功能模塊的設(shè)計(jì)。此外，許多MP核可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到。因此，IP模塊的開(kāi)發(fā)已成為許多用戶(hù)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(pán)、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(wú)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(jiàn)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。這意味著用戶(hù)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(hù)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(hù)需要的專(zhuān)用指令。為了區(qū)別于一般的MP，圖1中的給出了SoC-MP來(lái)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(zhuān)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。這也正是嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用設(shè)計(jì)特性和高效控制優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)。 盡管SoC的IP核分為硬核、軟核、固核，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)集成電路設(shè)計(jì)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，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(yǔ)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(guò)數(shù)據(jù)（data）、地址線(xiàn)（address）、控制（control,write_e）和信號(hào)線(xiàn)（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(lái)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(lái)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（ResetCircuit）開(kāi)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（ClockRegulator）主要為定時(shí)器提供具有高質(zhì)量波形的時(shí)鐘。為滿(mǎn)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（μsTimer）和毫秒定時(shí)器（msTimer）。定時(shí)的時(shí)間常數(shù)被放在時(shí)間常數(shù)寄存器（TimeConstantRegister）中。 從MP來(lái)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（ControlCircuit）。 控制電路（ControlCircuit）是lcd_fct的核心。它控制數(shù)據(jù)輸入寄存器（Data_inRegister）、數(shù)據(jù)輸出寄存器（Data_outRegister）、狀態(tài)寄存器（StateRegister）、控制寄存器（ControlRegister）和時(shí)間常數(shù)寄存器（TimeConstantRegister）?？刂齐娐犯鶕?jù)指令標(biāo)志和時(shí)序來(lái)操作不同的寄存器，實(shí)現(xiàn)lcd_fct的管理和運(yùn)行。 數(shù)據(jù)輸入寄存器接受來(lái)自MP的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)輸出寄存器。數(shù)據(jù)輸出寄存器把數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)lcd_db送到LCD模塊的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。這個(gè)數(shù)據(jù)既可能是要顯示的數(shù)據(jù)，也可能是指令。 控制寄存器產(chǎn)生操作LCD的控制信號(hào)，如LCD中選信號(hào)（lcd_e）、LCD內(nèi)部寄存器選擇信號(hào)（lcd_rs）和LCD讀寫(xiě)信號(hào)（lcd_r_w）。 狀態(tài)寄存器在LCD處于工作下，會(huì)產(chǎn)生LCD繁忙信號(hào)（lcd_busy）。這意味著，LCD此時(shí)不會(huì)接受其它指令。與其它信號(hào)不同，lcd_busy是發(fā)送給MP的。 實(shí)際上lcd_fct的運(yùn)行操作主要是對(duì)各種控制、狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行管理。4 FPGA設(shè)計(jì)和仿真 在lcd_fct的FPGA設(shè)計(jì)中，主要采用的VHDL語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)［7］、MAXPlus－II仿真以及SOC和LCD的實(shí)際連接調(diào)試。lcd_fct的HVDL設(shè)計(jì)框架如下：LibraryEntity lcd_fct is Port();End lcd_fct;Architecture struct of lcd_fct is Signal ConstantBeginRes: process;Clk: clk_div;LCD: process;BeginIf init then Initialization;Elsif clr then Clear LCD;Elsif addr then Write address to LCD RAM;Elsif data then Write data to LCD RAM;End if;End process;Us: ustimer;Ms: mstimer;End truct;LCD控制器IP模塊lcd_fct的仿真結(jié)果如圖3所示。在圖中左側(cè)的信號(hào)就是lcd_fct的輸入／輸出信號(hào)。圖3 lcd_fct的功能仿真 當(dāng)把write_e設(shè)置成高電平時(shí)，指令寫(xiě)入lcd_fct。對(duì)于讀寫(xiě)控制信號(hào)lcd_r_w來(lái)說(shuō)，低電平為寫(xiě)操作，高電平為讀操作。由于該仿真都是lcd_fct對(duì)LCD進(jìn)行寫(xiě)操作，lcd_r_w始終為低電平。圖中通過(guò)addrin的變化來(lái)代表不同的指令。 在addrin等于7FFF時(shí)，lcd_db被賦值01。這意味著LCD被清屏。當(dāng)addrin等于7FFE，且data_in送入31時(shí)，lcd_db被賦值31，LCD就會(huì)顯示“1”。Addrin被設(shè)置成7FFD，且data_in等于8時(shí)，被顯示的字符將出現(xiàn)在顯示屏的第8個(gè)字符的位置，實(shí)現(xiàn)了定位顯示功能。 當(dāng)addrin被賦值7FFC時(shí)，LCD被初始化。初始化包括功能設(shè)置、關(guān)閉顯示、打開(kāi)顯示、清屏、顯示移位和工作方式設(shè)置等操作。 由此可見(jiàn)，只要在SOC的MP中加入適當(dāng)?shù)闹噶睿梢詫?duì)addrin進(jìn)行控制，SOC就可以完成對(duì)LCD的管理。由于本設(shè)計(jì)中SOC的MP是可重配置MP，添加或修改指令是不存在問(wèn)題的。仿真表明，lcd_fct的設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，操作結(jié)果是令人滿(mǎn)意的。一般的LCD程序控制完成一項(xiàng)操作（如初始化）需要執(zhí)行多條軟件指令。用FPGA設(shè)計(jì)的lcd_fct只要一條指令就能完成相應(yīng)的操作，而且是硬件運(yùn)行，效率提高了許多倍。5 結(jié)論 組件控制器的設(shè)計(jì)是SOC設(shè)計(jì)的重要組成部分。采用FPGA是完成組件控制器設(shè)計(jì)的有效手段。通過(guò)LCD控制器的設(shè)計(jì)和仿真，說(shuō)明基于FPGA的組件控制器可以用一條指令完成原來(lái)許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此，這是一項(xiàng)有意義的工作。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于把FPGA設(shè)計(jì)和SOC的組件控制器聯(lián)系起來(lái)，并通過(guò)一個(gè)具體例子介紹了如何設(shè)計(jì)單指令驅(qū)動(dòng)的組件控制器。