基于FPGA的SoC外部组件控制器IP的设计

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。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：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。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31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。