基于FPGA的SoC外部組件控制器IP的設(shè)計
摘要： 組件控制器的設(shè)計是SOC設(shè)計的重要組成部分。采用FPGA是完成組件控制器設(shè)計的有效手段。通過LCD控制器的設(shè)計和仿真，說明基于FPGA的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統(tǒng)的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。本文作者創(chuàng)新點在于把FPGA設(shè)計和SOC的組件控制器聯(lián)系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設(shè)計單指令驅(qū)動的組件控制器。
Abstract：
Key words :
1 引言
嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為應用最廣的計算機系統(tǒng)。SoC（System on a Chip）則是嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)熱點。SOC的核心概念是把整個系統(tǒng)集成到一片半導體芯片上。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。基于可編程器件FPGA（Field programmable Gate Arrays）的SoC可被稱作SoPC（System on a Programmable Chip）或PSoC(Programmable SoC)。基于FPGA的設(shè)計為可重配置（reconfigurable）的SoC的開發(fā)帶來了方便。SOC運用現(xiàn)代計算機和微電子學的高技術(shù)，實現(xiàn)單片系統(tǒng)集成，減小了體積、提高了運行效率、增強了可靠性、降低了功耗、減少了成本，因此被稱作嵌入式系統(tǒng)應用的理想結(jié)構(gòu)和高端形式。
IP（IntellectualProperty）是SoC設(shè)計不可或缺的部分。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。由于SOC是針對某種應用或?qū)ο笤O(shè)計的專用系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)很大程度上依賴于功能模塊的設(shè)計。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)計和實現(xiàn)。一個基于FPGA的LCD控制器設(shè)計作為例子被介紹。這個組件控制器設(shè)計屬于固核IP設(shè)計，也就是軟硬結(jié)合的方法。設(shè)計內(nèi)容主要包括電路結(jié)構(gòu)、VHDL框架和仿真結(jié)果。該設(shè)計實現(xiàn)了面向可重配置SOC的單指令驅(qū)動LCD操作。
2 SoC組件與組件控制器
SoC組件是SoC為實現(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)計在SOC內(nèi)部。作為一個系統(tǒng)的核心，SOC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應的組件配合。而多數(shù)組件，尤其是外部組件在SOC內(nèi)都要有一個對應的控制器。所以，為了實現(xiàn)應用對象操作，SOC要設(shè)計相當數(shù)量的組件控制器。組件控制器的設(shè)計，對SOC而言就是一些IP模塊的設(shè)計。
SoC與外部組件的基本關(guān)系見圖1。相對于外部組件而言，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)計成可重配置（reconfigurable）的MP。這意味著用戶可對MP的一些配置進行修改和添加以適應應用系統(tǒng)的需要，如用戶可以對MP的指令系統(tǒng)進行重新配置，設(shè)計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現(xiàn)一些復雜操作的單指令運行，從而大大提高了SOC應用系統(tǒng)的操作速度和運行效率。這也正是嵌入式系統(tǒng)的專用設(shè)計特性和高效控制優(yōu)勢的體現(xiàn)。
盡管SoC的IP核分為硬核、軟核、固核，對于非專業(yè)集成電路設(shè)計的用戶來說，多數(shù)采用基于FPGA的設(shè)計方法。實際上也就是軟硬結(jié)合的IP固核設(shè)計。本文介紹的是一種用VHDL硬件描述語言在FPGA上設(shè)計SOC外部組件控制器IP的方法。
3 LCD控制器的設(shè)計
液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）是SoC的一種外部組件，會經(jīng)常被用到。為了實現(xiàn)SoC對LCD的高效管理，要設(shè)計一個LCD控制器IP模塊。這個模塊被命名為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。
對照圖1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)
在這個設(shè)計中對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)生一系列控制信號和相應的時序來控制LCD模塊完成相應的操作。實際上，lcd_fct對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lcd_fct的輸入信號reset是低電平時，復位電路（ResetCircuit）開始工作，進行初始化操作、對標志和狀態(tài)清零、設(shè)定相關(guān)常數(shù)等。
時鐘調(diào)節(jié)電路（ClockRegulator）主要為定時器提供具有高質(zhì)量波形的時鐘。為滿足運行中不同時序的需要,lcd_fct中設(shè)計了微秒定時器（μsTimer）和毫秒定時器（msTimer）。定時的時間常數(shù)被放在時間常數(shù)寄存器（TimeConstantRegister）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)生相應的指令標志，如復位、清零等。并把指令標志送給控制電路（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）和時間常數(shù)寄存器（TimeConstantRegister）。控制電路根據(jù)指令標志和時序來操作不同的寄存器，實現(xiàn)lcd_fct的管理和運行。
數(shù)據(jù)輸入寄存器接受來自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)通過數(shù)據(jù)線lcd_db送到LCD模塊的數(shù)據(jù)總線上。這個數(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，如LCD中選信號（lcd_e）、LCD內(nèi)部寄存器選擇信號（lcd_rs）和LCD讀寫信號（lcd_r_w）。
狀態(tài)寄存器在LCD處于工作下，會產(chǎn)生LCD繁忙信號（lcd_busy）。這意味著，LCD此時不會接受其它指令。與其它信號不同，lcd_busy是發(fā)送給MP的。
實際上lcd_fct的運行操作主要是對各種控制、狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號進行管理。
4 FPGA設(shè)計和仿真
在lcd_fct的FPGA設(shè)計中，主要采用的VHDL語言的程序設(shè)計［7］、MAXPlus－II仿真以及SOC和LCD的實際連接調(diào)試。lcd_fct的HVDL設(shè)計框架如下：
Library
Entity lcd_fct is Port();
End lcd_fct;
Architecture struct of lcd_fct is Signal Constant
Begin
Res: process;
Clk: clk_div;
LCD: process;
Begin
If 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)的信號就是lcd_fct的輸入／輸出信號。
圖3 lcd_fct的功能仿真
當把write_e設(shè)置成高電平時，指令寫入lcd_fct。對于讀寫控制信號lcd_r_w來說，低電平為寫操作，高電平為讀操作。由于該仿真都是lcd_fct對LCD進行寫操作，lcd_r_w始終為低電平。圖中通過addrin的變化來代表不同的指令。
在addrin等于7FFF時，lcd_db被賦值01。這意味著LCD被清屏。當addrin等于7FFE，且data_in送入31時，lcd_db被賦值31，LCD就會顯示“1”。Addrin被設(shè)置成7FFD，且data_in等于8時，被顯示的字符將出現(xiàn)在顯示屏的第8個字符的位置，實現(xiàn)了定位顯示功能。
當addrin被賦值7FFC時，LCD被初始化。初始化包括功能設(shè)置、關(guān)閉顯示、打開顯示、清屏、顯示移位和工作方式設(shè)置等操作。
由此可見，只要在SOC的MP中加入適當?shù)闹噶?，可以對addrin進行控制，SOC就可以完成對LCD的管理。由于本設(shè)計中SOC的MP是可重配置MP，添加或修改指令是不存在問題的。仿真表明，lcd_fct的設(shè)計達到了設(shè)計目標，操作結(jié)果是令人滿意的。一般的LCD程序控制完成一項操作（如初始化）需要執(zhí)行多條軟件指令。用FPGA設(shè)計的lcd_fct只要一條指令就能完成相應的操作，而且是硬件運行，效率提高了許多倍。
5 結(jié)論
組件控制器的設(shè)計是SOC設(shè)計的重要組成部分。采用FPGA是完成組件控制器設(shè)計的有效手段。通過LCD控制器的設(shè)計和仿真，說明基于FPGA的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統(tǒng)的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。
本文作者創(chuàng)新點在于把FPGA設(shè)計和SOC的組件控制器聯(lián)系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設(shè)計單指令驅(qū)動的組件控制器。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。