基于FPGA的SoC外部組件控制器IP的設(shè)計(jì)
摘要: 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,。
Abstract:
Key words :
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?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/FPGA" title="FPGA" target="_blank">FPGA(Field programmable Gate Arrays)的SoC可被稱作SoPC(System on a Programmable Chip)或PSoC(Programmable SoC)?;贔PGA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)的專用系統(tǒng),,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于功能模塊的設(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(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)于非專業(yè)集成電路設(shè)計(jì)的用戶來(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(address),、控制(control,write_e)和信號(hào)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(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lcd_db送到LCD模塊的數(shù)據(jù)總線上。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:
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(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?,可以?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。
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