移動(dòng)操作SoC接口IP組件設計

　1 引言

　　移動(dòng)操作或移動(dòng)計算（mobile computing）原是通訊領(lǐng)域的研究方向，隨著(zhù)數字無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和嵌入式計算技術(shù)的發(fā)展、應用與融合，移動(dòng)操作已逐步成為嵌入式系統中很具發(fā)展潛力的一個(gè)領(lǐng)域［1］。SoC（System on a Chip）是嵌入式系統的研究和開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)［2］，其運用現代計算機和微電子學(xué)的高技術(shù)，實(shí)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，被稱(chēng)作嵌入式系統應用的理想結構。移動(dòng)操作和SoC二者的結合開(kāi)拓出了嵌入式系統研究與應用的新天地。為了解釋移動(dòng)操作SoC的應用，這里舉一個(gè)例子，如圖1所示。

圖1 一種移動(dòng)操作SoC的工作示意圖

　　在圖1中，移動(dòng)操作SoC被設置在汽車(chē)上，它通過(guò)GSM通信網(wǎng)絡(luò )和控制中心、住家建立通信聯(lián)系。車(chē)主能夠通過(guò)汽車(chē)上的移動(dòng)操作SoC控制住家的各種家用電器設備，如在回家的路上可以啟動(dòng)電飯煲和微波爐；也可以向控制中心發(fā)出咨詢(xún)和數據提取信息。同時(shí)，車(chē)主可以通過(guò)移動(dòng)操作SoC對住家內設置的保安系統、防火系統進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，并向控制中心求助。另一方面，住家的安全問(wèn)題信息也可以通過(guò)GSM傳遞給控制中心和車(chē)主，以便及時(shí)采取措施。

　　當車(chē)主在住家時(shí)，汽車(chē)上的移動(dòng)操作SoC和車(chē)上的防盜系統連接，在發(fā)生汽車(chē)被盜事件時(shí)，及時(shí)向車(chē)主和控制中心報警。

　　由此可見(jiàn)，在移動(dòng)通信日益發(fā)達的今天，移動(dòng)操作SoC必將成為嵌入式系統應用研究新的熱點(diǎn)之一，有著(zhù)廣闊的發(fā)展空間。

　　2 移動(dòng)操作SoC的結構

　　作為SoC在移動(dòng)通信控制的分支，移動(dòng)操作SoC和一般的SoC在設計上是相似的。作為一個(gè)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(gè)對應的控制器。所以，為了實(shí)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（Intellectual Property）組件的設計。由于可編程器件PLD具有簡(jiǎn)單易學(xué)、修改方便的特點(diǎn)，常常被用來(lái)作為設計IP組件的硬件支撐。

　　移動(dòng)操作SoC的基本結構見(jiàn)圖2。在移動(dòng)操作SoC中，核心是嵌入式微處理器MPU。實(shí)際上，多數的MPU和是由MPU或PLD設計與開(kāi)發(fā)公司提供的，如MCS51系列的NIOS和32位的ARM系列MPU核，分別由Altera和Arm公司提供給用戶(hù)［3］。

圖2 移動(dòng)操作SoC的基本結構

　　從用戶(hù)的角度來(lái)看，進(jìn)行SoC設計的主要工作是IP組件的設計，以及系統的連接。盡管SoC的IP核分為硬核、軟核、固核，對于非專(zhuān)業(yè)集成電路設計的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，多數采用基于PLD的設計方法。也就是軟硬結合的IP固核設計。

　　從圖2可以看出，移動(dòng)操作SoC的IP設計主要包括兩個(gè)部分：GSM接口IP組件和外部接口IP組件。其中GSM接口IP組件建立移動(dòng)操作SoC和GSM網(wǎng)絡(luò )的通信聯(lián)系和相應的數據變換；外部接口IP組件則負責SoC與外部設備間的數據聯(lián)系，并對某些外部設備器驅動(dòng)控制作用。

　　相對來(lái)說(shuō)，外部接口IP組件包含的內容更豐富。因為，這類(lèi)IP組件對應的外部設備范圍較廣，而GSM接口IP組件只對應GSM網(wǎng)絡(luò )。對一個(gè)嵌入了移動(dòng)操作SoC的電子產(chǎn)品而言，常用的外部設備包括鍵盤(pán)、顯示、外部存儲器和鳴響器件等。無(wú)論是鍵盤(pán)、顯示、外部存儲器，還是鳴響器件，其相應的IP組件都具有一定驅動(dòng)控制功能。

　　基于PLD設計SoC的IP組件是較常用的方法。目前，應用較多PLD器件是FPGA和CPLD，本文中介紹的IP組件設計是在基于VHDL編程的FPGA上完成的［4］。

　　3 移動(dòng)操作SoC的IP組件設計

　　外部接口IP組件是移動(dòng)操作SoC應用中常用且范圍較廣的IP組件。外部數據存儲器是SoC的一種常用外部設備。為了實(shí)現SoC對外部數據存儲器的高效管理，要設計一個(gè)外部數據存儲器IP組件。這個(gè)組件被命名為ram_fct。外部數據存儲器IP組件結構可參考圖3。

　　對照圖2，圖3中的ram_fct是外部數據存儲器的IP組件，處于外部數據存儲器和嵌入式MPU之間，通過(guò)數據（datain）、地址線(xiàn)（addrin）、控制（reset, write_e）和信號線(xiàn)（clk）等與MPU建立聯(lián)系。

圖3 外部RAM IP組件的結構