PSTN短消息終端SoC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 */　　sfr MODEM_CTRL = 0xf2;/* 擴展，Modem控制，只寫(xiě) */

　　sfr KEYPAD_VALUE = 0xf4;/* 擴展，讀鍵盤(pán)值，只讀 */

　　sfr FLASH_PAGE = 0xf5; /* 擴展，頁(yè)面尋址，只寫(xiě) */

　　sfr LCD_DATA = 0xf6; /* 擴展，LCD數據，讀寫(xiě) */

　　sfr LCD_CTRL = 0xf7; /* 擴展，LCD控制，只寫(xiě) */

　　sfr CIRCUIT_STATUS = 0xff; /* 擴展，線(xiàn)路狀態(tài)，只讀 */

　　sfr CIRCUIT_CTRL = 0xff; /* 擴展，線(xiàn)路控制，只寫(xiě) */

　　為了節約SFR總線(xiàn)地址資源，一些擴展的SFR寄存器在硬件上設計為只能寫(xiě)、不可讀，另外一些被設計為只能讀、不可寫(xiě)。這樣，二者可以復用同一個(gè)SFR總線(xiàn)地址，比如MODEM_CTRL和READ_DTMF_DECODE寄存器;但是這樣在需要先將那些“只寫(xiě)”寄存器的內容讀出，運算后再進(jìn)行寫(xiě)回操作的時(shí)候就很不方便。這里采用了鏡像變量的方法，為每一個(gè)“只寫(xiě)”寄存器建立一個(gè)全局變量，每次寫(xiě)寄存器操作后，都對這個(gè)全局變量進(jìn)行同樣的寫(xiě)操作，時(shí)刻保持變量值和寄存器的內容一致，在需要讀出的時(shí)候就使用此全局變量。MODEM_CTRL寄存器的bit0控制Modem是DTMF還是FSK模式。下面以對這一位的操作為例說(shuō)明。

　　建立它的鏡像全局變量：

　　unsigned char xdata modem_ctrl_mirror;

　　定義控制位：

　　#define MODEM_B0_MODE0x01// 1-DTMF, 0-FSK

圖2 片上外設在SFR總線(xiàn)上的物理連接

　　設置Modem為FSK模式：

　　void Modem_SetMode_FSK() {

　　MODEM_CTRL = modem_ctrl_mirror (~MODEM_B0_MODE);

　　modem_ctrl_mirror = modem_ctrl_mirror (~MODEM_B0_MODE);

　　}

　　在初始化程序中對這些“只寫(xiě)”寄存器及其鏡像全局變量進(jìn)行賦值。

　　void DevicesInit() {

　　MODEM_CTRL = MODEM_CTRL_INI;

　　modem_ctrl_mirror = MODEM_CTRL_INI;

　　}

　　3.3 存儲空間的劃分和映射

　　在物理上，把8KB的片內RAM分為兩部分，0000H～1BFFH(共7 KB)映射到數據空間，1C00H～1FFFH(共1 KB)映射到程序空間，并覆蓋Flash中程序空間的1C00H～1FFFH區域;把512 KB的Flash存儲器也分成兩部分，00000H～0FFFFH(共64 KB)映射到程序空間，剩下的10000H～7FFFFH(共448 KB)都映射到數據空間。

　　對微控制器核來(lái)說(shuō)，可以尋址64 KB的程序空間和64 KB的數據存儲空間。對整個(gè)SoC而言，因為Flash中的程序空間有1 KB被RAM程序空間覆蓋掉，所以邏輯上它的程序空間依然是64 KB，但數據空間變?yōu)? KB+448 KB，共455 KB。微控制器核通過(guò)擴展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16頁(yè)的頁(yè)面方式訪(fǎng)問(wèn)Flash存儲器，其中包括程序空間和數據空間，如圖3所示。

　　圖3 程序空間和數據空間的劃分和映射

　　在對Flash存儲器件進(jìn)行寫(xiě)操作后的某一段時(shí)間內(從幾十μs～幾百μs)，對它進(jìn)行讀操作是不能讀出一個(gè)確切值的，這是Flash存儲器件的一個(gè)特性。本設計中程序和數據存放在同一個(gè)AM29LV040 Flash存儲器中。在對Flash存儲器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，要不斷地從其中讀出進(jìn)行寫(xiě)操作的程序指令，然后對它本身進(jìn)行寫(xiě)操作。微控制器核在20 MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期大約是200 ns，即每隔200 ns左右，SoC就要從Flash存儲器中讀取一條指令。這顯然和上述的Flash存儲器特性發(fā)生了沖突。

　　通過(guò)對編譯環(huán)境的設定，可以把進(jìn)行寫(xiě)Flash操作的函數unsigned char WriteData_FLASH (unsigned char * dest, unsigned char *scr, unsigned int len) 和Flash扇區擦除函數unsigned char EraseSector_FLASH (unsigned char sector_index)定位到程序空間的1C00H～1FFFH，并備份到數據空間的0EC00H～0EFFFH。在應用程序的設備初始化函數 void DevicesInit()中，調用加載函數void LoadFLASHOpToRAM()，把對Flash進(jìn)行寫(xiě)或者擦除操作的這1KB的程序代碼從Flash加載到RAM的程序空間。以后凡是涉及到對 Flash的寫(xiě)或者擦除操作，都由硬件邏輯切換總線(xiàn)到RAM去執行這一段程序代碼。這樣，以不大的RAM開(kāi)銷(xiāo)，解決了不能同時(shí)對Flash進(jìn)行讀和寫(xiě)操作的矛盾。函數void LoadFLASHOpToRAM()的代碼如下：

　　#define PROG_RAM_DATA0xEC00

　　#define PROG_RAM_DATA_PAGE9

　　staTIc unsigned char xdata RAM_prog[1024] _at_ 0x1C00;

　　void LoadFLASHOpToRAM(){

　　unsigned char xdata * p;

　　FLASH_PAGE = PROG_RAM_DATA_PAGE;

　　p = (unsigned char xdata *)PROG_RAM_DATA;

　　memcpy(RAM_prog,p,1024);

　　}

　　4 總結

　　本文詳細講述了在基于微控制器IP核PSTN短消息終端SoC設計中軟硬件協(xié)同設計的方法。在合理劃分硬件和軟件任務(wù)的基礎上，使設計更好地達到了系統性能的要求。