一種基于FPGA的SOC設(shè)計與實現(xiàn)

曹 蓓，黃海生

(西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710061)

近年來，SOC[1]技術(shù)得到了快速的發(fā)展，逐漸成為微電子行業(yè)的主流。SOC稱為系統(tǒng)級芯片，是一個有專用目標(biāo)的集成電路，能集成數(shù)字電路、硬件專用電路、存儲器、微處理器等多種異構(gòu)模塊，實現(xiàn)多個復(fù)雜的應(yīng)用功能，具有速度快、集成度高、功耗低、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

隨著集成電路速度的加快和設(shè)計復(fù)雜性提高，新的技術(shù)不斷被引進，國內(nèi)外相繼開展了SOC技術(shù)及器件的研究，其中一個顯著的特點就是將SOC的可靠性和低成本與FPGA的靈活性等優(yōu)勢結(jié)合起來[2]，在業(yè)界中知名的FPGA芯片公司中，如Altera公司的CycloneⅤ和ArriaⅤ系列[3]，Xilinx公司的 Zynp系列[4]，Actel公司的 M7A3P1000，其都內(nèi)嵌了 ARM微處理器，在邏輯設(shè)計、片上系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。

本文選用Actel公司的FPGA器件，型號為M7A3P1000，采用該器件對SOC進行設(shè)計驗證。該器件采用Flash結(jié)構(gòu)，相比于采用靜態(tài)隨機存儲器 (SRAM)結(jié)構(gòu)的Altera和Xilinx公司的FPGA器件，其下載的程序在掉電后不丟失，因此不需專用的配置芯片，故在PCB設(shè)計中可降低設(shè)計的復(fù)雜度，減少面積的開銷。此外，該器件所具有的的加密功能，可有效的保護知識產(chǎn)權(quán)。設(shè)計中，首先在該芯片中搭建基于ARM7的SOC系統(tǒng)，最后用兩種方法驗證該SOC系統(tǒng)的正確性：一是用該系統(tǒng)對片外存儲器進行擦寫操作；二是用該系統(tǒng)測試用戶定制邏輯外設(shè)。

1 系統(tǒng)原理

在SOC設(shè)計中，常見的架構(gòu)都是以微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)為中心，加上存儲器，外設(shè)等，再通過片上總線把處理器和外設(shè)進行互連，本設(shè)計采用的FPGA型號為M7A3P1000芯片，因其內(nèi)嵌一個基于AMBA總線架構(gòu)、且完全兼容ARM7微處理器[5]，故可以在非常低的功耗下安全、可靠地運行。上述的AMBA總線架構(gòu)，是ARM公司設(shè)計的一種高性能嵌入式系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，因其具有的高速度、低功耗等特點，故其在SOC設(shè)計中已被廣泛采用，典型的基于AMBA架構(gòu)的SOC核心部分如圖1。

由圖1中可看出，AMBA規(guī)范中定義了兩種不同類型的總線[6]：先進的高速總線(AHB)、先進的系統(tǒng)總線(ASB)和先進的外圍總線（APB）。其中AHB適用于高性能和高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊，主要用于高性能和高吞吐量設(shè)備之間的連接，如片上存儲器、DSP、直接存儲器訪問(DMA)、高速片外存儲器控制器 (該部件用于連接片外存儲器Flash和SRAM)等設(shè)備；ASB和AHB屬同一功能類型總線，只不過AHB總線是ASB總線的升級版，增強了對性能、綜合及時序驗證的支持；APB總線主要用于連接低速、低帶寬的外圍器件，如集成電路總線(IIC)接口、計數(shù)器（Timer），通用輸入輸出（GPIO）、通用異步收發(fā)器（UART）等。下文將以此架構(gòu)，進行SOC設(shè)計。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 SOC設(shè)計流程

采用Actel公司的Libero IDE 8.6集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計基于ARM7的SOC。SOC包括硬件和軟件設(shè)計兩部分，在硬件設(shè)計中，一般將系統(tǒng)經(jīng)行分模塊設(shè)計，之后針對各模塊功能，逐個進行功能驗證，待各模塊功能準(zhǔn)確后，依據(jù)總線架構(gòu)，組成要設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)，最后通過軟硬件協(xié)同調(diào)試，證明系統(tǒng)功能的完備性。其SOC設(shè)計的主要流程[7]如圖2。

圖2 SOC設(shè)計的主要流程Fig.2 Themain process in SOC design

在圖2顯示的SOC設(shè)計流程中，若要設(shè)計一個模塊或系統(tǒng)，首先對其進行功能/需求分析，下來針對虛線框內(nèi)的步驟 ， 其 中 步 驟 HDL-Editor，User-Testbench，Modelsim Simulator，可用于模塊的設(shè)計、功能仿真，若再增加步驟Synthesis，Compile，Layout，Programming Genetation， 可對所設(shè)計的模塊進行實際驗證，待各模塊功能驗證準(zhǔn)確后，就可以依據(jù)指定的互連結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，然后結(jié)合相應(yīng)的軟件代碼，進行系統(tǒng)功能調(diào)試、驗證。

2.2 SOC設(shè)計搭建

本文采用在Libero IDE 8.6集成開發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌的Coreconsole軟件[8]，搭建基于ARM7的SOC系統(tǒng)，搭建的系統(tǒng)如圖3所示。

如圖3所示，在Coreconsole環(huán)境中搭建的系統(tǒng)，包括總線，微處理器，外圍器件，以及驅(qū)動和頂層端口，其中1）CoreMP7：32/16位精簡指令集架構(gòu)處理器、支持32位ARM指令和16位Thumb指令、三級流水線，32位即4G尋址范圍等；2）CoreMP7Bridge：橋接器，連接 CoreMP7 和 CoreAHB，它將CoreMP7處理器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換成一個適合AHB總線連接的信號，且包含一組聯(lián)合測試行動小組（JTAG）信號接口，JTAG接口用于下載程序和軟件調(diào)試。3）CoreAHBLite：先進的高速總線，一般連接DMA、DSP、SRAM等設(shè)備。包含16個AHB從器件節(jié)點，每個從器件依次占有256MB地址空間，在本設(shè)計中，片外的Flash和SRAM分別連接在節(jié)點0和節(jié)點1上。2.1部分中用到的片外Flash就是通過外部存儲器接口連 接 在 節(jié) 點0上 ， 故 其 基 地 址 是 0x00000000；4）CoreMemCtrl：外部存儲器控制器，用于連接片上系統(tǒng)與外部寄 存 器 ， 如 對 片 外Flash、SRAM進 行 讀 寫 訪 問 ；5）CoreAHBtoAPB： 橋接器。 連接 CoreAHB和 CoreAPB；6）CoreAPB：先進的外圍總線，一般連接 UART、GPIO、IIC等外設(shè)。包含16個APB從器件節(jié)點，每個從器件依次占有16MB地址空間，地址計算公式是：物理地址=基地址+偏移地址。7）驅(qū)動和頂層端口包括：16 MHz系統(tǒng)時鐘SYSCLK；系統(tǒng)低電平復(fù)位端口NSYSRESET，程序下載和調(diào)試端口JTAG，外部存儲器連接端口ExternalMomoryInterface，串口通信接口等，圖中底色為灰色的是一般的輸入輸出（PIO）模塊，該模塊的設(shè)計和驗證將在3.2部分詳細(xì)說明。至此，文中介紹了基于AMBA總線架構(gòu)的SOC中涉及到的時鐘、復(fù)位、總線、微處理器、外部存儲器及外圍輸入輸出端口，即最小系統(tǒng)框架，在圖3中清晰地確定了SOC系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了各模塊之間的通信功能。

圖3 基于ARM7的SOC系統(tǒng)Fig.3 The SOC system based on ARM7

3 實際驗證

下面將對所搭建的SOC系統(tǒng)進行驗證，通過對系統(tǒng)翻譯、編譯、綜合、分配管腳、生成下載文件,最后將下載文件燒寫到FPGA片中。為驗證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本設(shè)計采用兩種方法對其進行測試驗證，詳細(xì)過程見3.1和3.2部分。

3.1 搭建的系統(tǒng)對片外Flash的擦寫操作

本測試主要是在已經(jīng)搭建好的SOC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在外部存儲器控制器接口連接外部存儲器Flash，通過能否對Flash進行正常的擦寫操作來驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，測試選用的片外Flash芯片型號Numonyx公司是28F640J3D，它是64M的16位只讀存儲器，分配的基地址是0x00000000，由于該芯片16位模式的訪問特性，地址線0位拉低不予鏈接，其余地址線管腳依次連接到頂層外部寄存器控制器的地址端口。

FS2是一款集合了大量指令和可用軟件、用以調(diào)試基于ARM的SOC系統(tǒng)內(nèi)核的工具，利用該工具對片外Flash進行配置和擦寫操作，來驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測試首先對片外Flash進行配置，進而對指定存儲空間進行擦除操作，然后對該存儲空間進行寫操作，最后觀察此存儲空間中的數(shù)據(jù)，具體過程如圖4所示。

圖4 片外Flash的擦寫演示過程Fig.4 Wipe the demonstration process of outside Flash

在圖4中顯示的是FS2工具的用戶界面，設(shè)計中用到的八條指令，分別是：1＞、2＞、3＞、......8＞，其中指令 1＞、2＞用來配置片外Flash芯片；指令3＞用來選擇將要擦寫的存儲空間，由圖中可知，本設(shè)計中要進行的讀寫操作的存儲空間是0x00000000-0x003FFFFF；指令4＞用來對Flash指定的存儲空間進行擦除操作；指令5＞用來把已經(jīng)準(zhǔn)備好的二進制文件寫到上述存儲空間中，設(shè)計中使用的二進制文件名是QUICK.HEX；指令6＞是用來顯示指定存儲空間中的內(nèi)容，從圖中可看出，寫到存儲空間0x00000000-0x0000003F的內(nèi)容是 18、F0、9F......、12、E3；指令 7＞執(zhí)行對上述存儲空間寫入的數(shù)據(jù)的擦除操作；指令8＞顯示上述存儲單元擦除后的內(nèi)容。

通過對上述過程的分析可知，所搭建的SOC系統(tǒng)可準(zhǔn)確實現(xiàn)片外Flash的擦寫操作，進而說明了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.2 搭建的系統(tǒng)對外設(shè)接口的讀寫操作

本測試在遵循ARM7先進外圍總線APB的讀寫時序的前提下，定制用戶邏輯外設(shè)PIO，通過該系統(tǒng)對PIO接口進行讀寫操作來進一步驗證設(shè)計的準(zhǔn)確，驗證中的用到的APB總線的讀寫時序如圖5。

下面將主要遵循系統(tǒng)中先進的外圍總線APB的讀寫時序，首先采用硬件描述語言和C代碼，定制八位的用戶邏輯外設(shè)PIO，然后將PIO的輸入端口接到開關(guān)Switch0-Switch7，輸出端口接到八個發(fā)光二極管Led0-Led7，通過軟硬件調(diào)試，使八位開關(guān)的輸入電平顯示到八個發(fā)光二極管上，以此來進一步驗證設(shè)計中搭建的SOC系統(tǒng)的準(zhǔn)確，針對上述過程及要求，為了更直觀地展示驗證結(jié)果，制作了簡單的實驗板，當(dāng)開關(guān)鍵在高電平時，發(fā)光二極管變亮，否則，發(fā)光二極管不亮。其中定制用戶邏輯外設(shè)的主要步驟如下：

1）規(guī)劃元件的硬件功能；

2）使用硬件描述來描述硬件邏輯[9-10]；

3）單獨驗證元件的硬件功能；

4）描述寄存器的C頭文件來為軟件定義硬件寄存器映像；

5）將元件集成到ARM7系統(tǒng)中，使用ARM7來測試寄存器的訪問是否正確，并為該元件編寫軟件驅(qū)動[11]；

圖5 APB總線的讀寫時序Fig.5 The read timing and write timing of APB bus

6）執(zhí)行系統(tǒng)級的驗證等。

圖6是在Actel公司的調(diào)試軟件Softconsole和實驗板上的實際調(diào)試結(jié)果。

圖6 調(diào)試結(jié)果Fig.6 Debugging results

由圖6顯示的調(diào)試結(jié)果可知，八位開關(guān)Switch0-Switch7的輸入分別是11001011和11100101，這個和八個發(fā)光二極管Led0-Led7的輸出結(jié)果一致，由此進一步驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文通過對基于ARM7的SOC系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了一種Flash結(jié)構(gòu)的FPGA器件及其片上系統(tǒng)的設(shè)計方法，進而給出了兩種驗證該片上系統(tǒng)準(zhǔn)確性的方法，通過實際驗證，該系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確進行片外存儲器的擦寫，而且可以準(zhǔn)確進行外設(shè)接口的讀寫的操作，由此驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。文中所搭建SOC系統(tǒng)，可以與符合ARM公司的AHB2.0協(xié)議的北斗基帶芯片無縫連接，在北斗接收機的設(shè)計、測試中有重要的參考價值。

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