0 引言

    在現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信與傳輸領(lǐng)域，系統(tǒng)芯片(System-on-a-Chip，SoC)與不同外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換越來越頻繁，交換的數(shù)據(jù)量越來越大，而且不同外設(shè)采用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和接口形式也各不相同。SoC與外設(shè)間連接的要求越來越高，主要表現(xiàn)在：(1)高帶寬，要求通信傳輸速度越來越高；(2)通用性，要求接口具有對多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議有一定的廣適性；(3)可再配置，要求通信系統(tǒng)具有用戶根據(jù)實際需要進(jìn)行二次配置的特性。

    另一方面，外設(shè)接口往往采用一定的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，典型的有UART接口、IIC接口、SPI接口等。芯片實現(xiàn)時，通常將外設(shè)接口的邏輯功能固化在芯片內(nèi)部，但由于芯片資源有限，不可能把所有的協(xié)議都集成在片上^[1]。為了實現(xiàn)可編程的外設(shè)接口，傳統(tǒng)的方法是利用通用輸入輸出(General Purpose Input/Output，GPIO)，通過編程方式設(shè)置GPIO寄存器的高/低電平，從而控制數(shù)據(jù)的讀寫和時鐘的生成。但是，GPIO模塊采用CPU內(nèi)核直接控制，模擬外設(shè)接口的讀寫過程會占用大量CPU運行周期，影響系統(tǒng)中其他任務(wù)的實現(xiàn)，所以一般只用于低速協(xié)議或接口的實現(xiàn)^[2]。

    本文針對SoC與外圍設(shè)備多種接口的連接問題，設(shè)計了一種通用可編程接口IP核，實現(xiàn)了SoC與外圍設(shè)備接口間的可編程特性，并以增強型8051內(nèi)核為基礎(chǔ)構(gòu)建了仿真驗證平臺，驗證了設(shè)計的正確性和有效性。

1 通用可編程接口IP的原理

    通用可編程接口的工作方式采用主控方式，可通過配置CPU實現(xiàn)對外設(shè)接口讀寫波形的編程，從而完成外設(shè)接口的讀寫。

    為了使數(shù)據(jù)在與外圍設(shè)備交換過程中不需要CPU的控制，利用通用可編程接口的高速帶寬設(shè)計了一套FIFO緩存架構(gòu)，其工作機制使得數(shù)據(jù)以包的形式被提交到端點FIFO，而不是每次一個字節(jié)，并可設(shè)置多級緩存^[3-4]。

    通用可編程接口IP的本質(zhì)是一個可編程狀態(tài)機，用戶通過編寫波形描述符控制狀態(tài)機。通用可編程接口可生成4個用戶定義波形描述符，每個波形描述符最多可定義7個狀態(tài)，這7個狀態(tài)通常情況下用于批量讀、批量寫、單字讀、單字寫。

2 通用可編程接口IP核設(shè)計

2.1 通用可編程接口IP架構(gòu)

    通用可編程接口模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由4個模塊組成。

    (1)端點控制模塊

    端點控制模塊(CONTROL)產(chǎn)生控制信號(CTL)控制外部設(shè)備，CTL信號可通過編程組合使用，實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能；接收外部準(zhǔn)備信號(RDY)觸發(fā)事件；接收/發(fā)送時鐘信號(IFCLK)；輸出狀態(tài)信號(STATE)，顯示狀態(tài)機目前工作狀態(tài)。時鐘信號可選內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入，其他控制信號也可設(shè)置為高有效或低有效。

    (2)端點緩存模塊

    端點緩存模塊由4個相互重疊的FIFO端點緩存組成，存儲與外設(shè)通信過程中接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)。其讀信號(RD)、寫信號(WR)、輸出使能信號(OE)及時鐘信號(CLK)控制數(shù)據(jù)總線(FD[15:0])的讀寫，并輸出空信號(EF)、滿信號(FF)。

    (3)波形存儲器模塊

    波形存儲器用于存儲用戶設(shè)計的波形描述符。通用可編程接口通過波形描述符控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，最多可存儲4個波形描述符，分別為WF0、WF1、WF3、WF4。

    (4)地址生成模塊

    地址生成器(ADDR_GEN)用于輸出地址總線(GPIFADR[8:0])，由控制模塊控制。

2.2 波形描述符設(shè)計

    波形描述符是通用可編程接口的核心，用于描述數(shù)據(jù)傳輸的時序。通用可編程接口可以存儲4個波形描述符：(1)單字讀：從外設(shè)中讀取1字節(jié)/字的數(shù)據(jù)；(2)單字寫：向外設(shè)中寫入1字節(jié)/字的數(shù)據(jù)；(3)批量讀：從外設(shè)中讀取一個長數(shù)據(jù)流；(4)批量寫，往外設(shè)中寫入一個長數(shù)據(jù)流。這些描述符可以動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。配置后，通用可編程接口將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號給外界接口，滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。

    圖2為一種批量寫模式下的波形描述符狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。批量寫狀態(tài)機共定義了5個狀態(tài)，分別是IDLE、State1、State2、State3、State4，每個狀態(tài)的意義描述如下。

    (1)IDLE：當(dāng)寫事件發(fā)生，轉(zhuǎn)移到State(1)；

    (2)State1：將SRAM寫信號和使能信號置為有效(=0，=0)，觸發(fā)寫事件，轉(zhuǎn)移到State(2)；

    (3)State2：若外部SRAM模型的“滿”標(biāo)志為真(FF=1)，則停留在State(2)，否則轉(zhuǎn)移到State(3)；

    (4)State3：通用可編程接口采樣數(shù)據(jù)線，將內(nèi)部端點FIFO數(shù)據(jù)寫入外部SRAM模型，轉(zhuǎn)移到State(4)；

    (5)State4：如有更多數(shù)據(jù)需要傳輸，則轉(zhuǎn)移到State(2)，否則轉(zhuǎn)移到步驟(1)。

2.3 端點FIFO緩存設(shè)計

    通用可編程接口內(nèi)部包含4重端點FIFO緩存，對內(nèi)部總線端來說，只要有1個FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO寫“滿”時，自動將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排隊等候讀??；并將隊列中下一個為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到SoC內(nèi)部總線接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。圖3為FIFO緩存架構(gòu)的傳輸原理圖，此時通用可編程接口內(nèi)部總線接口執(zhí)行OUT傳輸，F(xiàn)IFO端點被設(shè)置為512 B四重緩存。

3 仿真平臺設(shè)計

    為驗證設(shè)計的接口IP核，構(gòu)建了一個以8051 CPU為內(nèi)核的SoC仿真平臺，利用設(shè)計的接口IP核訪問外部設(shè)備。為了充分利用通用可編程接口地址總線、數(shù)據(jù)總線及控制信號，外設(shè)采用SRAM芯片的Verilog模型，并加以改進(jìn)，添加握手信號，使通用可編程接口能讀取該信號并控制數(shù)據(jù)傳輸。通過設(shè)計波形描述符，SoC控制接口IP向外部存儲器執(zhí)行寫/讀操作，仿真平臺對兩次的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并報告設(shè)計的正確性。

    該仿真平臺在Linux操作系統(tǒng)下開發(fā)，平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。仿真器采用Synopsys公司的VCS仿真器。組成系統(tǒng)的各個模塊可以按照需要加入仿真環(huán)境中，仿真結(jié)果由環(huán)境產(chǎn)生、檢查并輸出到指定目錄結(jié)構(gòu)下的文件中。

    仿真平臺包括Verilog編寫的Testbench、SoC模型、外部程序存儲器(EXT PROGRAM ROM)、SRAM Verilog模型。SRAM包括地址線(A8～A0)、數(shù)據(jù)線(I/O15～I(xiàn)/O0)、芯片使能()、輸出使能()、寫使能()、握手信號E_RDY(“1”表示SRAM未寫入數(shù)據(jù)，“0”代表已寫入數(shù)據(jù))、F_RDY(“1”表示SRAM存滿數(shù)據(jù)，“0”代表未滿)。

    仿真平臺工作時，由Testbench產(chǎn)生時鐘(CLK)和通用可編程接口IP時鐘(IFCLK)。

4 仿真結(jié)果分析

    通用可編程接口單字節(jié)寫的仿真結(jié)果如圖5所示，其中IFCLK為內(nèi)部48 MHz時鐘，數(shù)據(jù)寬度為8 bit。當(dāng)CTL3()拉低時，外部SRAM有效；當(dāng)CTL5 ()有效，且RDY1(F_RDY)為低時，數(shù)據(jù)(5A)被放入數(shù)據(jù)總線，并經(jīng)數(shù)據(jù)總線寫入外部SRAM。狀態(tài)總線STATE(PE[2:0])顯示通用可編程接口引擎在每一操作期間循環(huán)經(jīng)過的狀態(tài)。

    通用可編程接口單字讀模式與單字寫模式類似，仿真結(jié)果如圖6所示。

    圖7為通用可編程接口批量寫傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果，數(shù)據(jù)寬度為16 bit。當(dāng)、被拉低，且F_RDY為低時，接口開始執(zhí)行批量寫程序，從內(nèi)部的FIFO緩存向外部SRAM寫入512 B(00-FF，F(xiàn)F-00)。

    通用可編程接口批量讀傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果與批量寫類似，仿真結(jié)果如圖8所示。

    由上述仿真波形可看出，通用可編程接口讀寫數(shù)據(jù)時，時鐘周期為20.8 ns，數(shù)據(jù)總線寬度為16 bit，對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率為96 Mb/s。相比之下，UART的傳輸速率為1.5 Mb/s，IIC總線為400 Kb/s~3.4 Mb/s，SPI總線為18 Mb/s，GPIO總線的傳輸速率最高為50 Mb/s^[5]。可見，通用可編程接口的傳輸速率最快，更適合當(dāng)前大容量存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸要求。

5 結(jié)束語

    本方案實現(xiàn)了通用可編程接口與外圍設(shè)備接口連接的可配性，并通過設(shè)計驗證了該方案的可行性與準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通用可編程接口無需CPU的干預(yù)，只需對其進(jìn)行正確設(shè)置就可以正常工作。通用可編程接口的強大功能使其不僅可以與外部SRAM連接，還可以與更復(fù)雜的接口（例如ATA接口）實現(xiàn)無縫連接，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，降低了開發(fā)成本和提高了產(chǎn)品的可靠性。

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