一種基于FPGA的SOC設計方案

　　為減少在印制電路板(PCB)設計中的面積開(kāi)銷(xiāo)，介紹一種Flash結構的現 場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件，進(jìn)而介紹采用該器件搭建基于先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集機器(ARM)的片上系統(SOC)電路的設計方法，該方法按照高級微控制器總線(xiàn)架構(AMBA)，設計ARM7處理器微系統及其外設電路，通過(guò)用搭建的系統對片外存儲器進(jìn)行擦寫(xiě)，以及通過(guò)編寫(xiě)軟硬件代碼定制符合ARM7外圍低速總線(xiàn)協(xié)議的用戶(hù)邏輯外設，驗證了系統的準確性，該系統可用于驗證SOC設計系統。

　　近年來(lái)，SOC技術(shù)得到了快速的發(fā)展，逐漸 成為微電子行業(yè)的主流。SOC稱(chēng)為系統級芯片，是一個(gè)有專(zhuān)用目標的集成電路，能集成數字電路、硬件專(zhuān)用電路、存儲器、微處理器等多種異構模塊，實(shí)現多個(gè)復雜的應用功能，具有速度快、集成度高、功耗低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著(zhù)集成電路速度的加快和設計復雜性提高，新的技術(shù)不斷被引進(jìn)，國內外相繼開(kāi)展了SOC技術(shù)及器件的研究，其中一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)就是將SOC的可靠性和低成本與FPGA的靈活性等優(yōu)勢結合起來(lái)，在業(yè)界中知名的FPGA芯片公司中，如Ahera公司的Cyclone V和A1Tia V系列引，Xilinx公司的Zynp系列，Actel公司的M7A3P1000，其都內嵌了ARM微處理器，在邏輯設計、片上系統中都有廣泛的應用。

　　本文選用Actel公司的FPGA器件，型號為M7A3P1000,采用該器件對SOC進(jìn)行設計驗證。該器件采用Flash結構，相比于采用靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)結構的Ahera和Xilinx公司的FPGA器件，其下載的程序在掉電后不丟失，因此不需專(zhuān)用的配置芯片，故在PCB設計中可降低設計的復雜度，減少面積的開(kāi)銷(xiāo)。此外，該器件所具有的的 加密功能，可有效的保護知識產(chǎn)權。設計中，首先在該芯片中搭建基于A(yíng)RM7的SOC系統，最后用兩種方法驗證該SOC系統的正確性：一是用該系統對片外存儲器進(jìn)行擦寫(xiě)操作;二是用該系統測試用戶(hù)定制邏輯外設。

　　1 系統原理

　　在SOC設計中，常見(jiàn)的架構都是以微處理器或數字信號處理器(DSP)為中心，加上存儲器，外設等，再通過(guò)片上總線(xiàn)把處理器和外設進(jìn)行互連，本設計采用的FPGA型號為M7A3P1000芯片，因其內嵌一個(gè)基于A(yíng)MBA總線(xiàn)架構、且完全兼容ARM7微處理器，故可以在非常低的功耗下安全、可靠地運行。上述的AMBA總線(xiàn)架構，是ARM公司設計的一種高性能嵌入式系統總線(xiàn)的標準，因其具有的高速度、低功耗等特點(diǎn)，故其在SOC設計中已被廣泛采用，典型的基于A(yíng)MBA架構的SOC核心部分如圖1。

　　由圖1中可看出，AMBA規范中定義了兩種不同類(lèi)型的總線(xiàn)：先進(jìn)的高速總線(xiàn)(AHB)、先進(jìn)的系統總線(xiàn) (ASB)和先進(jìn)的外圍總線(xiàn)(APB)。其中AHB適用于高性能和高時(shí)鐘頻率的系統模塊，主要用于高性能和高吞吐量設備之間的連接，如片上存儲器、DSP、直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(OMA)、高速片外存儲器控制器(該部件用于連接片外存儲器Flash和SRAM)等設備;ASB和AHB屬同一功能類(lèi)型總線(xiàn)，只不過(guò)AHB總線(xiàn)是ASB總線(xiàn)的升級版，增強了對性能、綜合及時(shí)序驗證的支持;APB總線(xiàn)主要用于連接低速、低帶寬的外圍器件，如集成電路總線(xiàn)(IIC)接口、計數器(Timer)，通用輸入輸出(GPIO)、通用異步收發(fā)器(UART)等。下文將以此架構，進(jìn)行SOC設計。

　　圖1 AMBA架構的SOC核心部分

　　2 系統設計

　　2.1 SOC設計流程

　　采用Aetel公司的Libero IDE 8.6集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，設計基于A(yíng)RM7的SOC.SOC包括硬件和軟件設計兩部分，在硬件設計中，一般將系統經(jīng)行分模塊設計，之后針對各模塊功能，逐個(gè)進(jìn)行功能驗證，待各模塊功能準確后，依據總線(xiàn)架構，組成要設計的目標系統，最后通過(guò)軟硬件協(xié)同調試，證明系統功能的完備性。其SOC設計的主要流程如圖2。

　　在圖2顯示的SOC設計流程中，若要設計一個(gè)模塊或系統，首先對其進(jìn)行功能/需求分析，下來(lái)針對虛線(xiàn) 框內的步驟， 其中步驟HDL-Editor,User-Testbeneh.ModelsimSimulator,可用于模塊的設計、功能仿真，若再增加步驟Synthesis,Compile,Layout,Programming Genetation,可對所設計的模塊進(jìn)行實(shí)際驗證，待各模塊功能驗證準確后，就可以依據指定的互連結構組成系統，然后結合相應的軟件代碼，進(jìn)行系統功能調試、驗證。

　　圖2 SOC設計的主要流程

　　2.2 SoC設計搭建

　　本文采用在Libero IDE 8.6集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中內嵌的Coreconsole軟件8,搭建基于A(yíng)RM7的SOC系統，搭建的系統如圖3所示。

　　圖3 基于A(yíng)RM7的SOC系統

　　如圖3所示，在Coreeonsole環(huán)境中搭建的系統，包括總線(xiàn)，微處理器，外圍器件，以及驅動(dòng)和頂層端口，其中1)CoreMP7:32/16位精簡(jiǎn)指令集架構處理器、支持32位ARM指令和16位Thumb指令、三級流水線(xiàn)，32位即4G尋址范圍等;2)CoreMP7Bridge:橋接器，連接CoreMP7 和CoreAHB,它將CoreMP7處理器發(fā)出的信號轉換成一個(gè)適合AHB總線(xiàn)連接的信號，且包含一組聯(lián)合測試行動(dòng)小組(JTAG)信號接口，JTAG接口用于下載程序和軟件調試。3)CoreAHBLite:先進(jìn)的高速總線(xiàn)，一般連接DMA、DSP、SRAM等設備。包含16個(gè)AHB從器件節點(diǎn)，每個(gè)從器件依次占有256MB地址空間，在本設計中，片外的Flash和SRAM分別連接在節點(diǎn)0和節點(diǎn)1上。2.1部分中用到的片外Flash就是通過(guò)外部存儲器接口連接在節點(diǎn)0上，故其基地址是Ox00000000;4)CoreMemCtrl:外部存儲器控制器，用于連接片上系統與外部寄存器，如對片外Flash、SRAM進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn);5)CoreAHBtoAPB:橋接器。連接CoreAHB和CoreAPB;6)CoreAPB:先進(jìn)的外圍總線(xiàn)，一般連接UART、GPIO、IIC等外設。包含16個(gè)APB從器件節點(diǎn)，每個(gè)從器件依次占有16MB地址空間，地址計算公式是：物理地址=基地址+偏移地址。7)驅動(dòng)和頂層端口包括：16 MHz系統時(shí)鐘SYSCLK;系統低電平復位端口NSYSRESET,程序下載和調試端口JTAG,外部存儲器連接端口ExtemalMomopyInterthce,串口通信接口等，圖中底色為灰色的是一般的輸入輸出(PIO)模塊，該模塊的設計和驗證將在3.2部分詳細說(shuō)明。至此，文中介紹了基于A(yíng)MBA總線(xiàn)架構的SOC中涉及到的時(shí)鐘、復位、總線(xiàn)、微處理器、外部存儲器及外圍輸入輸出端口，即最小系統框架，在圖3中清晰地確定了SOC系統的互連結構，實(shí)現了各模塊之間的通信功能。

　　3 實(shí)際驗證

　　下面將對所搭建的SOC系統進(jìn)行驗證，通過(guò)對系統翻譯、編譯、綜合、分配管腳、生成下載文件，最后將下載文件燒寫(xiě)到FPGA片中。為驗證該系統的準確性，本設計采用兩種方法對其進(jìn)行測試驗證，詳細過(guò)程見(jiàn)3.1和3.2部分。

　　3.1 搭建的系統對片外Flash的擦寫(xiě)操作

　　本測試主要是在已經(jīng)搭建好的SOC系統的基礎上，在外部存儲器控制器接口連接外部存儲器Flash，通過(guò)能否對Flash進(jìn)行正常的擦寫(xiě)操作來(lái)驗證系統的準確性，測試選用的片外Flash芯片型號Numonyx公司是28F640J3D,它是64M的16位只讀存儲器，分配的基地址是Ox00000000，由于該芯片16位模式的訪(fǎng)問(wèn)特性，地址線(xiàn)0位拉低不予鏈接，其余地址線(xiàn)管腳依次連接到頂層外部寄存器控制器的地址端口。

　　FS2是一款集合了大量指令和可用軟件、用以調試基于A(yíng)RM的SOC系統內核的工具，利用該工具對片外Flash進(jìn)行配置和擦寫(xiě)操作，來(lái)驗證系統的準確性。測試首先對片外Flash進(jìn)行配置，進(jìn)而對指定存儲空間進(jìn)行擦除操作，然后對該存儲空間進(jìn)行寫(xiě)操作，最后觀(guān)察此存儲空間中的數據，具體過(guò)程如圖4所示。