基于LEON3處理器和Speed協處理器的復雜SoC設計實現

　　隨著科技的發展，信號處理系統不僅要求多功能、高性能，而且要求信號處理系統的開發、生產周期短，可編程式專用處理器無疑是實現此目的的最好途徑。可編程專用處理器可分為松耦合式(協處理器方式，即MCU+協處理器)和緊耦合式(專用指令方式，即ASIP)，前者較后者易于實現，應用較廣。本文就是介紹一款松耦合式可編程專用復雜SoC設計實現，選用LEON3處理器作為MCU，Speed處理器作為CoProcessor。

　　LEON3及Speed

　　LEON3是由歐洲航天總局旗下的Gaisler Research開發、維護，目的是擺脫歐空局對美國航天級處理器的依賴。目前LEON3有三個版本(如表1)，其中LEON3FT(LEON3 Fault-tolerant)只有歐空局內部成員可以使用。LEON3 (basic version)是遵循GNC GPL License的開源處理器，和SPARC V8兼容，采用7級Pipeline，硬件實現乘法、除法和乘累加功能，詳細特性請參考相關技術文檔[1]。

表1 LEON3的不同版本

　　目前，LEON3處理器因為開源、高性能、采用AMBA總線易擴展及軟件工具完備等因素，在國內外大學(如UCB、UCLA、Princeton University等)及科研院所的科研活動中得到廣泛應用。

　　Speed(又名GA3816)是一款我國自主研發、處于同時代國際先進水平、可重構、可擴展的面向FFT、IFFT、FIR及匹配濾波應用的信號處理器，其內部結構如圖1所示，具有以下特點[2~4]：

　　1)Speed在追求運算速度的同時兼顧通用性，通過設置64位控制字，器件內部資源可根據不同應用進行重組;

　　2)可以實現FFT、IFFT、FFT-IFFT、FIR、滑窗卷積等運算，峰值運算能力達256億次浮點乘累加/秒;3)由160個實數浮點乘法累加運算器組成40個復數乘法累加器陣列，1Mbit的雙口SRAM，8個512×32bit系數ROM，兩個直角到極坐標轉換電路，兩個對數變換電路及其它輔助電路和控制電路。

圖1 Speed的內部模塊結構

　　Speed傳統的工作方式是通過片外FPGA輸入控制信號和待處理數據，這不僅增大了PCB板級布線、調試的工作量，而且FPGA不能用C等高級語言編程，算法改動起來不靈活。另一方面，隨著半導體工藝、微電子技術的發展，大規模的復雜SoC實現技術逐漸成熟，因此有必要將板級FPGA + Speed改進為芯片級MCU + Speed，這樣既能實現真正的可編程增大靈活性，又能加快用戶開發信號處理系統的速度。利用AHB實現通信

　　為了實現可編程，需要將C/C++程序表達的信息經過編譯器、LEON3處理器、AHB總線、DMA控制器和必要的HDL代碼，轉化成Speed能夠識別的信息，進入Speed模塊中，如圖2。其中AHB總線是LEON3 Core和Speed Core結合的關鍵。

圖2 實現軟件可編程的過程

　　AHB總線及AHB控制器

　　AMBA總線是一種應用廣泛的層次化總線結構，有高速的AHB和低速APB之分，其中AHB是一種流水式高速總線結構，地址和數據總線相互獨立，可掛載16個Master和Slaver設備，常用來組織和連接高性能模塊，如處理器、DMA控制器、協處理器等[5~7]。AHB總線的核心是AHB控制器，主要包括仲裁器，譯碼器和多路復用器，其中仲裁器選擇AHB Master，而譯碼器選擇AHB Slave，實現寫數據WDATA和讀數據RDATA分開，如圖3所示。

　　DMA控制器

　　DMA是指設備直接對計算機存儲器進行讀寫操作的方式。這種方式下數據的讀寫無需CPU執行指令，也不經過CPU內部寄存器，而是利用系統的數據總線直接在源地址和目的地址之間傳送數據，達到極高的傳輸速率。DMA控制器一方面可以接管總線，即可以像CPU一樣視為總線的主設備，這是DMA與其它外設最根本的區別;另一方面，作為一個I/O器件，其DMA控制功能正式通過初始化編程來設置。當CPU對其寫入或讀出時，它又和其它的外設一樣成為總線的從屬設備。本文中為了實現DMA和AHB密切配合，即啟動DMA后大量原始數據通過AHB總線從數據存儲器進入Speed模塊，需要DMA控制器內部包含AHB Master模塊，如圖4所示。另外需要說明的是，LEON3為了實現AHB上設備的plugplay需要在0xFFFFF000-0xFFFFF800地址空間添加設備信息[8~9]，所以DMA 控制器和Speed協處理器亦要如此，以便LEON3的軟硬件協調一致。在C語言實現DMA時，向DMA的控制寄存器寫入相應的信息，即可啟動DMA傳輸，如圖5所示。

圖4 DMA與AHB Master的關系