基于FPGA的SoC外部組件控制器IP的設計
摘要： 組件控制器的設計是SOC設計的重要組成部分。采用FPGA是完成組件控制器設計的有效手段。通過LCD控制器的設計和仿真，說明基于FPGA的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。本文作者創新點在于把FPGA設計和SOC的組件控制器聯系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設計單指令驅動的組件控制器。
Abstract：
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1 引言
嵌入式系統已經發展成為應用最廣的計算機系統。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)。基于FPGA的設計為可重配置（reconfigurable）的SoC的開發帶來了方便。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（IntellectualProperty）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。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。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。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（ResetCircuit）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（ClockRegulator）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（μsTimer）和毫秒定時器（msTimer）。定時的時間常數被放在時間常數寄存器（TimeConstantRegister）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（ControlCircuit）。
控制電路（ControlCircuit）是lcd_fct的核心。它控制數據輸入寄存器（Data_inRegister）、數據輸出寄存器（Data_outRegister）、狀態寄存器（StateRegister）、控制寄存器（ControlRegister）和時間常數寄存器（TimeConstantRegister）。控制電路根據指令標志和時序來操作不同的寄存器，實現lcd_fct的管理和運行。
數據輸入寄存器接受來自MP的數據并根據需要送數據到數據輸出寄存器。數據輸出寄存器把數據通過數據線lcd_db送到LCD模塊的數據總線上。這個數據既可能是要顯示的數據，也可能是指令。
控制寄存器產生操作LCD的控制信號，如LCD中選信號（lcd_e）、LCD內部寄存器選擇信號（lcd_rs）和LCD讀寫信號（lcd_r_w）。
狀態寄存器在LCD處于工作下，會產生LCD繁忙信號（lcd_busy）。這意味著，LCD此時不會接受其它指令。與其它信號不同，lcd_busy是發送給MP的。
實際上lcd_fct的運行操作主要是對各種控制、狀態和數據信號進行管理。
4 FPGA設計和仿真
在lcd_fct的FPGA設計中，主要采用的VHDL語言的程序設計［7］、MAXPlus－II仿真以及SOC和LCD的實際連接調試。lcd_fct的HVDL設計框架如下：
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模塊lcd_fct的仿真結果如圖3所示。在圖中左側的信號就是lcd_fct的輸入／輸出信號。
圖3 lcd_fct的功能仿真
當把write_e設置成高電平時，指令寫入lcd_fct。對于讀寫控制信號lcd_r_w來說，低電平為寫操作，高電平為讀操作。由于該仿真都是lcd_fct對LCD進行寫操作，lcd_r_w始終為低電平。圖中通過addrin的變化來代表不同的指令。
在addrin等于7FFF時，lcd_db被賦值01。這意味著LCD被清屏。當addrin等于7FFE，且data_in送入31時，lcd_db被賦值31，LCD就會顯示“1”。Addrin被設置成7FFD，且data_in等于8時，被顯示的字符將出現在顯示屏的第8個字符的位置，實現了定位顯示功能。
當addrin被賦值7FFC時，LCD被初始化。初始化包括功能設置、關閉顯示、打開顯示、清屏、顯示移位和工作方式設置等操作。
由此可見，只要在SOC的MP中加入適當的指令，可以對addrin進行控制，SOC就可以完成對LCD的管理。由于本設計中SOC的MP是可重配置MP，添加或修改指令是不存在問題的。仿真表明，lcd_fct的設計達到了設計目標，操作結果是令人滿意的。一般的LCD程序控制完成一項操作（如初始化）需要執行多條軟件指令。用FPGA設計的lcd_fct只要一條指令就能完成相應的操作，而且是硬件運行，效率提高了許多倍。
5 結論
組件控制器的設計是SOC設計的重要組成部分。采用FPGA是完成組件控制器設計的有效手段。通過LCD控制器的設計和仿真，說明基于FPGA的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。
本文作者創新點在于把FPGA設計和SOC的組件控制器聯系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設計單指令驅動的組件控制器。
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