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[嵌入式/ARM] 基于FPGA的SoC外部组件控制器IP的设计

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admin 发表于 2013-3-24 07:35:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 引言
     嵌入式系统已经发展成为应用最广的计算机系统。SoC(System on a Chip)则是嵌入式系统的研究和开发热点。SOC的核心概念是把整个系统集成到一片半导体芯片上。目前SoC的中文名称还不统一,可被叫做集成系统芯片、系统芯片或片上系统等。基于可编程器件FPGA(Field programmable Gate Arrays)的SoC可被称作SoPC(System on a Programmable Chip)或PSoC(Programmable SoC)。基于FPGA的设计为可重配置(reconfigurable)的SoC的开发带来了方便。SOC运用现代计算机和微电子学的高技术,实现单片系统集成,减小了体积、提高了运行效率、增强了可靠性、降低了功耗、减少了成本,因此被称作嵌入式系统应用的理想结构和高端形式。

  

     IP(IntellectualProperty)是SoC设计不可或缺的部分。在某种程度上,可以说SOC=MP+IP。微处理器MP(Microprocessor)是SOC的核心。IP是SOC各种功能实现的模块。IP模块也被称作IP核,IP核又可分为硬核、软核、固核。由于SOC是针对某种应用或对象设计的专用系统,系统的实现很大程度上依赖于功能模块的设计。此外,许多MP核可以在市场上买到。因此,IP模块的开发已成为许多用户设计SOC的主要工作。

  

     本文侧重于介绍IP模块中组件控制器的设计和实现。一个基于FPGA的LCD控制器设计作为例子被介绍。这个组件控制器设计属于固核IP设计,也就是软硬结合的方法。设计内容主要包括电路结构、VHDL框架和仿真结果。该设计实现了面向可重配置SOC的单指令驱动LCD操作。

  

2 SoC组件与组件控制器

  

     SoC组件是SoC为实现某种操作功能所需要的器件或设备。这些组件可以是内部的也可以是外部的,如LCD、键盘、设备驱动器等是外部组件,电子转换器、变换器、放大器等则属于内部组件。无论是内部,还是外组件,其控制单元都要被设计在SOC内部。作为一个系统的核心,SOC要完成运行、操作或控制功能,必须有相应的组件配合。而多数组件,尤其是外部组件在SOC内都要有一个对应的控制器。所以,为了实现应用对象操作,SOC要设计相当数量的组件控制器。组件控制器的设计,对SOC而言就是一些IP模块的设计。

  

     SoC与外部组件的基本关系见图1。相对于外部组件而言,SoC由微处理器核MP(microprocessor)和相关的控制器IP构成。为了得到最优的控制效率,SoC的MP常常被设计成可重配置(reconfigurable)的MP。这意味着用户可对MP的一些配置进行修改和添加以适应应用系统的需要,如用户可以对MP的指令系统进行重新配置,设计加入用户需要的专用指令。为了区别于一般的MP,图1中的给出了SoC-MP来代表用于SoC的MP核

  

201211070509498284666.jpg

图1 SOC与外部组件的基本关系

  

     SoC的组件控制器与专用指令配合可以实现一些复杂操作的单指令运行,从而大大提高了SOC应用系统的操作速度和运行效率。这也正是嵌入式系统的专用设计特性和高效控制优势的体现。

  

     尽管SoC的IP核分为硬核、软核、固核,对于非专业集成电路设计的用户来说,多数采用基于FPGA的设计方法。实际上也就是软硬结合的IP固核设计。本文介绍的是一种用VHDL硬件描述语言在FPGA上设计SOC外部组件控制器IP的方法。

  

3 LCD控制器的设计

  

    液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是SoC的一种外部组件,会经常被用到。为了实现SoC对LCD的高效管理,要设计一个LCD控制器IP模块。这个模块被命名为lcd_fct。外部组件LCD与SOC的关系与控制结构可参考图2。

  

    对照图1可以看出,图2中的lcd_fct是外部组件控制器IP,它位于LCD和MP之间,通过数据(data)、地址线(address)、控制(control,write_e)和信号线(lcd_busy)等与MP和LCD建立联系。

  

201211070509498597167.jpg

图2 外部组件LCD的SOC控制结构

  

     在这个设计中对LCD控制器lcd_fct的要求是:lcd_fct接受来自MP的指令,如初始化、清屏和显示等。lcd_fct按照指令的要求产生一系列控制信号和相应的时序来控制LCD模块完成相应的操作。实际上,lcd_fct对LCD模块的操控主要包括LCD初始化、清屏、传送显示数据和地址。

  

     当lcd_fct的输入信号reset是低电平时,复位电路(ResetCircuit)开始工作,进行初始化操作、对标志和状态清零、设定相关常数等。

  

     时钟调节电路(ClockRegulator)主要为定时器提供具有高质量波形的时钟。为满足运行中不同时序的需要,lcd_fct中设计了微秒定时器(μsTimer)和毫秒定时器(msTimer)。定时的时间常数被放在时间常数寄存器(TimeConstantRegister)中。

  

     从MP来的地址(addrin)和控制(write_e)信息被送到译码器(Decoder)。译码器根据不同的地址和控制信息产生相应的指令标志,如复位、清零等。并把指令标志送给控制电路(ControlCircuit)。

  

      控制电路(ControlCircuit)是lcd_fct的核心。它控制数据输入寄存器(Data_inRegister)、数据输出寄存器(Data_outRegister)、状态寄存器(StateRegister)、控制寄存器(ControlRegister)和时间常数寄存器(TimeConstantRegister)。控制电路根据指令标志和时序来操作不同的寄存器,实现lcd_fct的管理和运行。

  

     数据输入寄存器接受来自MP的数据并根据需要送数据到数据输出寄存器。数据输出寄存器把数据通过数据线lcd_db送到LCD模块的数据总线上。这个数据既可能是要显示的数据,也可能是指令。

  

     控制寄存器产生操作LCD的控制信号,如LCD中选信号(lcd_e)、LCD内部寄存器选择信号(lcd_rs)和LCD读写信号(lcd_r_w)。

  

     状态寄存器在LCD处于工作下,会产生LCD繁忙信号(lcd_busy)。这意味着,LCD此时不会接受其它指令。与其它信号不同,lcd_busy是发送给MP的。

  

     实际上lcd_fct的运行操作主要是对各种控制、状态和数据信号进行管理。

  

4 FPGA设计和仿真

  

     在lcd_fct的FPGA设计中,主要采用的VHDL语言的程序设计[7]、MAXPlus-II仿真以及SOC和LCD的实际连接调试。lcd_fct的HVDL设计框架如下:

  

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模块lcd_fct的仿真结果如图3所示。在图中左侧的信号就是lcd_fct的输入/输出信号。

  

201211070509498753368.jpg

图3 lcd_fct的功能仿真

  

     当把write_e设置成高电平时,指令写入lcd_fct。对于读写控制信号lcd_r_w来说,低电平为写操作,高电平为读操作。由于该仿真都是lcd_fct对LCD进行写操作,lcd_r_w始终为低电平。图中通过addrin的变化来代表不同的指令。

  

     在addrin等于7FFF时,lcd_db被赋值01。这意味着LCD被清屏。当addrin等于7FFE,且data_in送入时,lcd_db被赋值31,LCD就会显示“1”。Addrin被设置成7FFD,且data_in等于8时,被显示的字符将出现在显示屏的第8个字符的位置,实现了定位显示功能。

  

     当addrin被赋值7FFC时,LCD被初始化。初始化包括功能设置、关闭显示、打开显示、清屏、显示移位和工作方式设置等操作。

  

     由此可见,只要在SOC的MP中加入适当的指令,可以对addrin进行控制,SOC就可以完成对LCD的管理。由于本设计中SOC的MP是可重配置MP,添加或修改指令是不存在问题的。仿真表明,lcd_fct的设计达到了设计目标,操作结果是令人满意的。一般的LCD程序控制完成一项操作(如初始化)需要执行多条软件指令。用FPGA设计的lcd_fct只要一条指令就能完成相应的操作,而且是硬件运行,效率提高了许多倍。

  

5 结论

  

     组件控制器的设计是SOC设计的重要组成部分。采用FPGA是完成组件控制器设计的有效手段。通过LCD控制器的设计和仿真,说明基于FPGA的组件控制器可以用一条指令完成原来许多条指令才能完成的操作,可以大大提高系统的运行效率。因此,这是一项有意义的工作。

  

     本文作者创新点在于把FPGA设计和SOC的组件控制器联系起来,并通过一个具体例子介绍了如何设计单指令驱动的组件控制器。
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