系統(tǒng)控制器免費(fèi)IP 核的應(yīng)用

　　1．前言

　　隨著集成電路業(yè)工藝的發(fā)展，單位面積晶體管的數(shù)量急劇增加。按傳統(tǒng)的方法，能滿(mǎn)足芯片功能和時(shí)序要求設(shè)計(jì)的IC設(shè)計(jì)工程師，產(chǎn)能約為100門(mén)/天，要完成 1200萬(wàn)門(mén)的芯片設(shè)計(jì)需要500人年。設(shè)計(jì)復(fù)用（Design Reuse）技術(shù)成為解決問(wèn)題的有效方法。根據(jù)業(yè)界經(jīng)驗(yàn)，任何模塊如果不作任何修改就可以在10個(gè)或更多項(xiàng)目中復(fù)用，都應(yīng)該開(kāi)發(fā)成IP ?；贗P的數(shù)字IC設(shè)計(jì)方法是有效提高設(shè)計(jì)產(chǎn)能的關(guān)鍵技術(shù)。IP核又稱(chēng)IP （Intellectual Property）Core指具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電路核。設(shè)計(jì)復(fù)用不但適用于ASIC設(shè)計(jì)，也適用于CPLD/FPGA。在該類(lèi)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于開(kāi)發(fā)工具的通用性、設(shè)計(jì)語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化，使得設(shè)計(jì)過(guò)程基本與器件硬件特性無(wú)關(guān)，成功設(shè)計(jì)的各種功能電路模塊（core）具有很好的兼容性（Compliable）和移植性（Portable），恰當(dāng)?shù)膹?fù)用使設(shè)計(jì)效率大大提高。

　　用于系統(tǒng)集成（Integration）的IP Core通常是私有的，必須向開(kāi)發(fā)商購(gòu)買(mǎi)，這些花費(fèi)對(duì)資金短缺的設(shè)計(jì)團(tuán)體來(lái)說(shuō)是很大的負(fù)擔(dān)。而特殊的設(shè)計(jì)及測(cè)試工具給私有IP Core的整合帶來(lái)一些困難。有時(shí)私有IP Core還可能缺乏足夠的文檔，且購(gòu)買(mǎi)者無(wú)法得到源代碼使得整合工作更加困難。以上原因使IP core 的推廣沒(méi)有預(yù)想地那樣順利。

　　作為一種嘗試，國(guó)際上一些非盈利組織（如Opencores等）和個(gè)人致力于自由（或稱(chēng)免費(fèi)，Open 或Free）IP Core的發(fā)展，為設(shè)計(jì)者提供遵循GNU GPL或LGPL 協(xié)議的免費(fèi)開(kāi)源IP core。本文以系統(tǒng)控制器（system controller）的IP核為例，介紹了免費(fèi)IP Core的使用，包括資源的獲取方式和工具，文檔的應(yīng)用，測(cè)試方法等問(wèn)題，希望以此引起設(shè)計(jì)人員對(duì)免費(fèi)資源的關(guān)注。本文的資源來(lái)自O(shè)pencores組織。

　　2．資源的獲取

　　免費(fèi)IP Core資源通常由非盈利性組織或個(gè)人提供，有些CPLD/FPGA芯片廠家也提供部分類(lèi)似資源，但因大多是針對(duì)某個(gè)特定的芯片，所以可移植性較差。本文主要關(guān)注以發(fā)展免費(fèi)開(kāi)源IP核為宗旨的Opencores組織提供的資源，該組織也是免費(fèi)IP開(kāi)發(fā)中最有影響的組織之一。

　　Opencores是國(guó)際上成立較早、比較有影響的組織，致力于LGPL（GNU Lesser Public License）協(xié)議下設(shè)計(jì)和發(fā)布IP Core，以保證設(shè)計(jì)資源能被自由免費(fèi)使用。該組織還制定和發(fā)展開(kāi)放式IP Core設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及平臺(tái)，為用戶(hù)提供關(guān)于設(shè)計(jì)資源和平臺(tái)完備的文檔支持。

　　該組織官方網(wǎng)站上的資源以CVS工具管理，設(shè)計(jì)人員可以直接通過(guò)CVS工具或HTTP下載該組織提供的所有資源。因其開(kāi)發(fā)者會(huì)不斷更新資源，所以網(wǎng)站推薦使用CVS軟件整體下載資源 。該組織提供的資源包括算術(shù)模塊、微處理器、存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、通信控制模塊、DSP 核、系統(tǒng)控制器、視頻控制器等電路模塊。該組織維護(hù)管理的Wishbone總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（由Sillivore公司開(kāi)發(fā)并移交）因其具有開(kāi)放性，且有豐富免費(fèi) IP Core資源支持，實(shí)際已成為免費(fèi)IP Core設(shè)計(jì)的互連標(biāo)準(zhǔn)。該組織提供的OR1000處理器已被數(shù)家公司的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（SOPC）采用并在ASIC上實(shí)現(xiàn)。

　　CVS（Concurrent Versions System）是國(guó)際上最成熟的版本控制管理系統(tǒng)。版本管理工具是指在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及到的各種軟件資源的自動(dòng)化管理工具?；ミB網(wǎng)上最大的開(kāi)源社區(qū)SOURCEFORGE 就以它管理9萬(wàn)個(gè)項(xiàng)目。該管理系統(tǒng)包括客戶(hù)端CVS和服務(wù)器端CVSNT。CVS最先只能工作于UNIX 或Linux平臺(tái)，現(xiàn)已有Windows版本即WinCVS。WinCVS可從其官方網(wǎng)站下載。下載并安裝WinCVS后，就可以從WinCVS訪(fǎng)問(wèn) Opencores官方網(wǎng)站提供的資源，該網(wǎng)站提供相關(guān)資源所在服務(wù)器的配置信息和資源管理信息，使用者以所提供的信息，可以直接訪(fǎng)問(wèn)所需網(wǎng)站的指定資源，執(zhí)行瀏覽、下載等操作。

　　完善的IP Core一般包含該電路核的源代碼文件（VHDL或者Verilog HDL）、說(shuō)明文件、用于仿真的測(cè)試向量文件、仿真結(jié)果及綜合結(jié)果。以下以O(shè)pencores提供的系統(tǒng)控制器中的OCIDEC (OpenCores IDE Controller)為例，說(shuō)明如何利用好該組織提供的免費(fèi)IP Core資源。

　　系統(tǒng)控制器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制特定電路設(shè)備與電路模塊之間能進(jìn)行正常工作，有時(shí)也稱(chēng)為接口電路。Opencores官方網(wǎng)站提供的系統(tǒng)控制器有AC 97 Controller，IDE Controller，OCIDEC，Memory Controller，PCI Bridge，RS232 Sy stem Controller等。

　　首先用WinCVS工具下載所需要的資源（此例的Module名為ata），下載到本地后的文件目錄將有若干文件夾。其中CVS文件夾下文件由CVS版本控制系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生，使用者可不去理會(huì)；bench文件夾下的文件為測(cè)試向量，用于對(duì)IP Core進(jìn)行功能仿真；doc文件夾下為說(shuō)明文件；rtl文件夾下為該IP Core的源代碼，一般使用Verilog和/或VHDL語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)；sim和syn文件夾下分別為仿真和綜合的結(jié)果。由于應(yīng)用者可能使用各種不同的仿真和綜合軟件，為使讀者便于了解應(yīng)用的過(guò)程，本文使用較為通用的軟件Active-HDL和Synplify Pro作為處理工具。

　　3．資源的使用

　　3．1 了解IP Core的功能特性

　　要使一個(gè)他人所寫(xiě)的IP Core為自己的設(shè)計(jì)所用，首先要對(duì)其文檔和特性做全面的了解。凡是Opencores組織提供的資源里均附有相應(yīng)IP Core的說(shuō)明（specifICation），該SPEC文件一般包含變動(dòng)記錄（Revision History）、功能特性簡(jiǎn)介（Introduction），IO及參數(shù)說(shuō)明（IO Port & Parameter）、寄存器說(shuō)明（Registers）、工作原理（Operation）、源代碼文件結(jié)構(gòu)（Architecture）等內(nèi)容。
本例的SPC文件表明了該IP Core是WISHBONE總線(xiàn)兼容的ATA/ATAPI-5主控器。

　　ATA（AT Attachment）接口也稱(chēng)為IDE（Integrated Drive Electronic）接口，用來(lái)連接硬盤(pán)、CDROM/DVD、CF卡及PC卡等周邊設(shè)備，并且SPEC內(nèi)有詳細(xì)的IO和寄存器描述。