基于單片機軟核的SOPC系統設計與實(shí)現

隨著(zhù)微電子工藝技術(shù)和IC設計技術(shù)的不斷提高，整個(gè)系統都可集成在一個(gè)芯片上，而且系統芯片的復雜性越來(lái)越高。為了提高效率，復用以前的設計模塊已經(jīng)成為系統世馘 （SOC）設計的必上之路。SOC的實(shí)現基本上有兩種方法，一種是用ASIC芯片實(shí)現，另一種是FPGA或PLD芯片實(shí)現。后一種實(shí)現也稱(chēng)為SOPC實(shí)現。SOPC技術(shù)是美國Altera公司于2000年最早提出的，即用大規?？删幊唐骷?shí)現SOC的功能。它為SOC的實(shí)現提供了一種簡(jiǎn)單易行而又成本低廉的手段，極大地促進(jìn)了SOC的發(fā)展。本文設計就是采用SOPC技術(shù)，在一塊FPGA芯片上，實(shí)現一個(gè)水文測報通信系統。該系統是專(zhuān)門(mén)為國家防汛指揮系統項目而開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的前置通信控制機，用于實(shí)現水文數據的傳輸、處理和存儲。

國家防汛指揮系統工程啟動(dòng)之后，對水文測報網(wǎng)絡(luò )中的通信控制機性能提出了更加苛刻的要求：更多、更快速的通信端口；更大的存儲容量；更高的可靠性；更強的實(shí)時(shí)性；更強的可操作性；更便捷的應用程序開(kāi)發(fā)平臺。為了實(shí)現這些要求，以前曾采有傳統的單片機系統完成這項工作，但這些方法存 幾大缺陷：（1）系統占用面積比較大；（2）管腳的數量比較多，因而電路板問(wèn)題引導發(fā)故障較多；（3）電路板信號傳送之間存在干擾，系統運行速度難以達到要求。針對這些問(wèn)題，本文采用SOC設計方式，進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計，把整個(gè)可復用的內核如8051IP核、USB IP核、UART IP核等集成在一塊FPGA芯片上，用WISHBONE總線(xiàn)構成一個(gè)完整的片上通信系統。實(shí)驗結果證明：該系統所占用的面積縮小為原來(lái)的四分之一，管腳數量減少了三分之一，系統運行的速度也提高了。USB IP核的速度可以達到60MHz，完全滿(mǎn)足設計要求。

1 系統實(shí)現方案

1．1 系統結構說(shuō)明

本設計采用ALTERA公司的開(kāi)發(fā)平臺，即在一塊ALTERA公司的Cyclone系列FPGA芯片上構建SOPC系統。芯片內部IP核的結構示意圖如圖1所示。

圖中，系統核心8051 IP核采用的是第三方的圖件，遵守GPL協(xié)議的公開(kāi)源代碼，指令體系與標準的8051兼容，全同步設計，并且通過(guò)修改包含了測試器接口；源代碼由VHDL語(yǔ)言寫(xiě)成，擁有良好的注釋及可擴展性。其它IP核如UART IP核、I2C IP核、USB IP核等都是自行設計的；圖中總線(xiàn)采用的是WISHBONE片上總線(xiàn)。

1．2 系統功能的實(shí)現

系統的主要功能是數據傳輸。從圖1所示的結構圖可見(jiàn)，內部數據傳輸采用的是總線(xiàn)結構，所有的設備都是通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行數據傳送的，因此設計的核心是總線(xiàn)數據傳輸。本文設計采用的是SILICORE公司的WISHBONE片上總線(xiàn)標準。片上總線(xiàn)（On-Chip Bus,OCB）是實(shí)現SOC中IP核連接最常見(jiàn)的技術(shù)手段，它以總線(xiàn)方式實(shí)現IP核之間的數據通信。與板上總線(xiàn)不同，片上總線(xiàn)不用驅動(dòng)底板上的信號和連接器，使用更簡(jiǎn)單，速度更快。WISHBONE是一種主/從結構的總線(xiàn)，所有的IP核掛接在WISHBONE總線(xiàn)上，其規范是一種片上系統IP核互連體系結構。本系統選取8051 IP核為主，其它IP核為從，主/從IP核通過(guò)握手信號使數據在WISHBONE總線(xiàn)上進(jìn)行交換。

下面詳細說(shuō)明WISHBONE總線(xiàn)功能的實(shí)現。WISHBONE主設備核（8051 IP）與WISHBONE從設備核（USB IP核、UART IP核、I2C IC核等）端口信號連接圖如圖2所示；主設備核讀取從設備核數據的時(shí)序示決圖如圖3所示。寫(xiě)操作時(shí)序與之類(lèi)似。