移動計算SoC IP組件設(shè)計

1 引言

　　移動操作或移動計算（mobile computing）原是通訊領(lǐng)域的研究方向，隨著數(shù)字無線通信技術(shù)和嵌入式計算技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用與融合，移動操作已逐步成為嵌入式系統(tǒng)中很具發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€領(lǐng)域［1］。SoC（System on a Chip）是嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)熱點［2］，其運用現(xiàn)代計算機和微電子學(xué)的高技術(shù)，實現(xiàn)單片系統(tǒng)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，被稱作嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的理想結(jié)構(gòu)。移動操作和SoC二者的結(jié)合開拓出了嵌入式系統(tǒng)研究與應(yīng)用的新天地。為了解釋移動操作SoC的應(yīng)用，這里舉一個例子，如圖1所示。

圖1 一種移動操作SoC的工作示意圖

　　在圖1中，移動操作SoC被設(shè)置在汽車上，它通過GSM通信網(wǎng)絡(luò)和控制中心、住家建立通信聯(lián)系。車主能夠通過汽車上的移動操作SoC控制住家的各種家用電器設(shè)備，如在回家的路上可以啟動電飯煲和微波爐；也可以向控制中心發(fā)出咨詢和數(shù)據(jù)提取信息。同時，車主可以通過移動操作SoC對住家內(nèi)設(shè)置的保安系統(tǒng)、防火系統(tǒng)進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，并向控制中心求助。另一方面，住家的安全問題信息也可以通過GSM傳遞給控制中心和車主，以便及時采取措施。

　　當車主在住家時，汽車上的移動操作SoC和車上的防盜系統(tǒng)連接，在發(fā)生汽車被盜事件時，及時向車主和控制中心報警。

　　由此可見，在移動通信日益發(fā)達的今天，移動操作SoC必將成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究新的熱點之一，有著廣闊的發(fā)展空間。

　　2 移動操作SoC的結(jié)構(gòu)

　　作為SoC在移動通信控制的分支，移動操作SoC和一般的SoC在設(shè)計上是相似的。作為一個系統(tǒng)的核心，SoC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應(yīng)的組件配合。而多數(shù)組件，尤其是外部組件在SoC內(nèi)都要有一個對應(yīng)的控制器。所以，為了實現(xiàn)應(yīng)用對象操作，SoC要設(shè)計相當數(shù)量的組件控制器。組件控制器的設(shè)計，對SoC而言就是一些IP（Intellectual Property）組件的設(shè)計。由于可編程器件PLD具有簡單易學(xué)、修改方便的特點，常常被用來作為設(shè)計IP組件的硬件支撐。

　　移動操作SoC的基本結(jié)構(gòu)見圖2。在移動操作SoC中，核心是嵌入式微處理器MPU。實際上，多數(shù)的MPU和是由MPU或PLD設(shè)計與開發(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［3］。

圖2 移動操作SoC的基本結(jié)構(gòu)

　　從用戶的角度來看，進行SoC設(shè)計的主要工作是IP組件的設(shè)計，以及系統(tǒng)的連接。盡管SoC的IP核分為硬核、軟核、固核，對于非專業(yè)集成電路設(shè)計的用戶來說，多數(shù)采用基于PLD的設(shè)計方法。也就是軟硬結(jié)合的IP固核設(shè)計。

　　從圖2可以看出，移動操作SoC的IP設(shè)計主要包括兩個部分：GSM接口IP組件和外部接口IP組件。其中GSM接口IP組件建立移動操作SoC和GSM網(wǎng)絡(luò)的通信聯(lián)系和相應(yīng)的數(shù)據(jù)變換；外部接口IP組件則負責(zé)SoC與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，并對某些外部設(shè)備器驅(qū)動控制作用。

　　相對來說，外部接口IP組件包含的內(nèi)容更豐富。因為，這類IP組件對應(yīng)的外部設(shè)備范圍較廣，而GSM接口IP組件只對應(yīng)GSM網(wǎng)絡(luò)。對一個嵌入了移動操作SoC的電子產(chǎn)品而言，常用的外部設(shè)備包括鍵盤、顯示、外部存儲器和鳴響器件等。無論是鍵盤、顯示、外部存儲器，還是鳴響器件，其相應(yīng)的IP組件都具有一定驅(qū)動控制功能。

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

　　3 移動操作SoC的IP組件設(shè)計

　　外部接口IP組件是移動操作SoC應(yīng)用中常用且范圍較廣的IP組件。外部數(shù)據(jù)存儲器是SoC的一種常用外部設(shè)備。為了實現(xiàn)SoC對外部數(shù)據(jù)存儲器的高效管理，要設(shè)計一個外部數(shù)據(jù)存儲器IP組件。這個組件被命名為ram_fct。外部數(shù)據(jù)存儲器IP組件結(jié)構(gòu)可參考圖3。

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

圖3 外部RAM IP組件的結(jié)構(gòu)