基于SoC的PSTN短消息終端系統的軟硬件設計

1 概述

PSTN短消息終端SoC是為固定電話(huà)網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)而設計的一種數字終端處理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF調制解調器、 LCD接口、鍵盤(pán)掃描、數據存儲器擴展頁(yè)面尋址接口以及線(xiàn)路狀態(tài)控制接口;可以完成FSK和DTMF格式的短消息上傳、下傳，CID(Calling IdenTIty Delivery，主叫識別信息傳送)號碼的接收，振鈴信號檢測，話(huà)機狀態(tài)控制等功能[1]，提供了PSTN短消息終端的單芯片解決方案。其中，使用了 DW8051_core IP核作為SoC的微控制器核心。

SoC(System on chip，片上系統)不僅指它的硬件平臺，還包括運行在其上的軟件成分。如果系統采用全硬件設計的方案，優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高，但是研制周期長(cháng)，從而成本也高;用軟件實(shí)現則更為靈活，研制周期短。缺點(diǎn)是速度慢，效率比較低。因此，SoC設計必須在硬件與軟件功能劃分上有一個(gè)合理的權衡，并進(jìn)行協(xié)同設計 [2]。

2 SoC系統任務(wù)的軟硬件功能劃分

系統任務(wù)按功能可以分為通信、人機交互、Flash存儲器管理和外設管理四部分。通信的物理層功能即DTMF/FSK信號的調制解調，涉及插值、加權、相關(guān)等DSP運算?？紤]到通信的實(shí)時(shí)性要求和所使用8位微控制器的數據處理能力，這些運算由專(zhuān)門(mén)設計的Modem硬件邏輯實(shí)現;而在數據鏈路層，比如建立和釋放與服務(wù)器的連接、超時(shí)控制、接收FSK數據幀、拆包、差錯控制、提取返回消息層的信息和相應標志位的建立等，都交給微處理器由軟件實(shí)現。人機交互中的鍵盤(pán)掃描要不斷判斷是否有按鍵動(dòng)作發(fā)生，用軟件實(shí)現效率低，這里也用專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯實(shí)現。其他人機交互功能，如菜單操作、短信編輯等，則都由軟件實(shí)現。Flash存儲器管理和外設管理在硬件提供了接口寄存器的情況下，由軟件實(shí)現。

把實(shí)時(shí)性強、運算量大和重復性強的功能交給硬件去實(shí)現，然后在滿(mǎn)足系統性能要求的情況下，把盡可能多的任務(wù)留給片上的微控制器用軟件實(shí)現。這樣降低了SoC的硬件復雜度以及制造成本，同時(shí)系統也可以獲得最大的靈活性。

3 SoC的軟硬件協(xié)同設計

3.1 對微控制器核的配置和擴展

DW8051_core是Synopsys公司提供的一個(gè)與8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4個(gè)時(shí)鐘周期為1個(gè)指令周期的模式，在時(shí)鐘周期相同的情況下，處理能力是標準8051的3倍。DW8051_core訪(fǎng)問(wèn)程序存儲器和數據存儲器的MEM地址總線(xiàn)是16位總線(xiàn)，避免了傳統 8051結構中數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)低位的時(shí)分復用問(wèn)題。

由于DW8051_core是一個(gè)IP軟核(soft core)，所以可以對它進(jìn)行配置和擴展。在綜合(synthesis)的時(shí)候，通過(guò)對參數文件的設置，可以選擇配置內部RAM是128字節還是256字節;可以選擇是否使用定時(shí)/計數器2，使用1個(gè)串口還是2個(gè)串口等。用戶(hù)還可以按照DW8051_core手冊的要求使用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)硬件邏輯，擴展 SFR總線(xiàn)和中斷系統(最多可以擴展到13級中斷)[3]。

在SoC設計中，只使用到了微控制器核的1個(gè)硬件定時(shí)器(Timer0)，1個(gè)外部中斷(Interrupt0)，1個(gè)串行口(UART)，并沒(méi)有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只會(huì )增加系統的硬件負擔，所以按照最精簡(jiǎn)的原則配置DW8051_core：使用內部128字節RAM，不使用定時(shí)/計數器2，不使用內部ROM，只使用1個(gè)串口，不擴展中斷。在DW8051_parameter.vhd文件中，作如下的參數設定 [3]可以完成上述配置：

package DW8051_parameter is

constant ram_256 : integer := 0;

constant timer2 : integer := 0;

constant rom_addr_size : integer := 0;

constant serial : integer := 0;

constant extd_intr : integer := 0;

end DW8051_parameter;

SoC中的FSK/DTMF調制解調器、LCD接口、鍵盤(pán)掃描、數據存儲器擴展頁(yè)面尋址接口以及線(xiàn)路狀態(tài)控制接口等，都作為片內外設連接在 DW8051_core所特有的SFR內部總線(xiàn)上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存儲器AM29LV040都連接在DW8051_core的MEM總線(xiàn)上，如圖1所示。

圖1 經(jīng)過(guò)擴展的DW8051_core SFR總線(xiàn)以及SoC系統結構

3.2 外設在SFR總線(xiàn)上的地址映射

DW8051_core通過(guò)SFR地址總線(xiàn)sfr_addr[0:7]，SFR讀信號sfr_rd，SFR寫(xiě)信號sfr_wr，SFR數據輸出總線(xiàn)sfr_data_out[0:7]，數據輸入總線(xiàn)sfr_data_in[0:7]來(lái)訪(fǎng)問(wèn)映射到SFR總線(xiàn)上的片上外設。每一個(gè)外設都通過(guò)SFR地址映射成SFR總線(xiàn)上的一個(gè)寄存器，如圖2所示。

對這些擴展SFR寄存器的訪(fǎng)問(wèn)和對普通寄存器的訪(fǎng)問(wèn)在形式上并沒(méi)有區別。當應用程序使用Keil的C51編譯器時(shí)，修改reg51.h文件可以讓編譯器確認用戶(hù)所擴展的SFR寄存器。對擴展SFR外設地址的分配可以根據設計需要而不同，但是只能使用DW8051_core沒(méi)有保留和占用的地址，否則會(huì )發(fā)生沖突。在reg51.h文件中添加以下語(yǔ)句讓編譯器確認擴展的寄存器：

sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 擴展，發(fā)送Modem數據，只寫(xiě) */

sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 擴展，讀FSK解調數據，只讀 */

sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 擴展，讀DTMF解調數據，只讀 */

sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 擴展，Modem狀態(tài)，只讀 */