基于FPGA的SOC外部組件控制器IP的設計

1 引言

嵌入式系統已經發展成為應用最廣的計算機系統［1］。SOC（System On a Chip）則是嵌入式系統的研究和開發熱點。SOC 的核心概念是把整個系統集成到一片半導體芯片上。目前SOC 的中文名稱還不統一，可被叫做集成系統芯片、系統芯片或片上系統等。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) ［2］。基于FPGA 的設計為可重配置（reconfigurable）的SOC 的開發帶來了方便［3］。SOC 運用現代計算機和微電子學的高技術，實現單片系統集成，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應用的理想結構和高端形式。

IP（Intellectual Property）是SOC 設計不可或缺的部分。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 各種功能實現的模塊。IP 模塊也被稱作IP 核，IP 核又可分為硬核、軟核、固核［4］。由于SOC 是針對某種應用或對象設計的專用系統，系統的實現很大程度上依賴于功能模塊的設計。此外，許多MP 核可以在市場上買到。因此，IP 模塊的開發已成為許多用戶設計SOC 的主要工作。

本文側重于介紹IP 模塊中組件控制器的設計和實現。一個基于FPGA 的LCD 控制器設計作為例子被介紹。這個組件控制器設計屬于固核IP 設計，也就是軟硬結合的方法。設計內容主要包括電路結構、VHDL 框架和仿真結果。該設計實現了面向可重配置SOC 的單指令驅動LCD 操作。

2 SOC 組件與組件控制器

SOC 組件是SOC 為實現某種操作功能所需要的器件或設備。這些組件可以是內部的也可以是外部的，如LCD、鍵盤、設備驅動器等是外部組件，電子轉換器、變換器、放大器等則屬于內部組件。無論是內部，還是外組件，其控制單元都要被設計在SOC 內部。作為一個系統的核心，SOC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應的組件配合。而多數組件，尤其是外部組件在SOC 內都要有一個對應的控制器。所以，為了實現應用對象操作，SOC 要設計相當數量的組件控制器。組件控制器的設計，對SOC 而言就是一些IP 模塊的設計。

SOC 與外部組件的基本關系見圖1。相對于外部組件而言，SOC 由微處理器核MP（microprocessor）和相關的控制器IP 構成。為了得到最優的控制效率，SOC 的MP 常常被設計成可重配置（reconfigurable）的MP［5］。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的需要，如用戶可以對MP 的指令系統進行重新配置，設計加入用戶需要的專用指令。為了區別于一般的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系

SOC的組件控制器與專用指令配合可以實現一些復雜操作的單指令運行，從而大大提高了SOC應用系統的操作速度和運行效率［6］。這也正是嵌入式系統的專用設計特性和高效控制優勢的體現。

盡管SOC 的IP 核分為硬核、軟核、固核，對于非專業集成電路設計的用戶來說，多數采用基于FPGA 的設計方法。實際上也就是軟硬結合的IP 固核設計。本文介紹的是一種用VHDL 硬件描述語言在FPGA 上設計SOC 外部組件控制器IP 的方法。

3 LCD 控制器的設計

液晶顯示器 LCD（Liquid Crystal Display）是SOC 的一種外部組件，會經常被用到。為了實現SOC 對LCD 的高效管理，要設計一個LCD 控制器IP 模塊。這個模塊被命名為lcd_fct。外部組件LCD 與SOC 的關系與控制結構可參考圖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，通過數據（data）、地址線（address）、控制（control, write_e）和信號線（lcd_busy）等與MP 和LCD 建立聯系。

圖2 外部組件LCD 的SOC 控制結構

在這個設計中對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、傳送顯示數據和地址。

當lcd_fct 的輸入信號reset 是低電平時，復位電路（Reset Circuit）開始工作，進行初始化操作、對標志和狀態清零、設定相關常數等。

時鐘調節電路（Clock Regulator）主要為定時器提供具有高質量波形的時鐘。為滿足運行中不同時序的需要, lcd_fct 中設計了微秒定時器（μs Timer）和毫秒定時器（ms Timer）。定時的時間常數被放在時間常數寄存器（Time Constant Register）中。

從MP 來的地址（addrin）和控制（write_e）信息被送到譯碼器（Decoder）。譯碼器根據不同的地址和控制信息產生相應的指令標志，如復位、清零等。并把指令標志送給控制電路（Control Circuit）。