基于IP核復用的微處理器FSPLCSOC模塊
摘要： 隨著芯片集成程度的飛速提高，IC產業中形成了以片上系統SOC(System-on-Chip)技術為主的設計方式。一個電子系統或分系統可以完全集成在一個芯片上，同時IC設計能力和EDA工具卻相對落后于半導體工藝技術的發展，兩者之間日益加劇的差距已經成為SOC技術發展過程中一個突出的障礙。采用基于IP復用技術進行設計是減小這一差距惟一有效的途徑，IP復用技術包括兩個方面的內容:IP核生成和IP核復用。
Abstract：
Key words :
1 引言
隨著芯片集成程度的飛速提高，IC產業中形成了以片上系統SOC(System-on-Chip)技術為主的設計方式。一個電子系統或分系統可以完全集成在一個芯片上，同時IC設計能力和EDA工具卻相對落后于半導體工藝技術的發展，兩者之間日益加劇的差距已經成為SOC技術發展過程中一個突出的障礙。采用基于IP復用技術進行設計是減小這一差距惟一有效的途徑，IP復用技術包括兩個方面的內容:IP核生成和IP核復用。
2 IP核復用
IP核復用(IP Core Reuse)是指在集成電路設計過程中，通過繼承、共享或購買所需的知識產權內核(第三方IP核)，然后再利用EDA工具進行設計、綜合和驗證。IP核是IP復用的載體和核心內容，基于應用需求、規范協議和行業標準的不同，IP核的內容也是千差萬別的。在IC產業中，IP核被定義為用于ASIC， ASSP， PLD等芯片中，且預先定義好功能、經過驗證的、可重復利用的電路功能模塊，如PCI接口核、ADC核，FIR濾波器核、SDRAM控制器核等。根據IC設計層次的不同。IP核分為以下三類:軟IP(Soft IP)、硬IP(Hard IP)，固IP (Firm IP)。文中主要涉及到軟IP核設計和復用。軟IP是可類比、綜合的硬件描述語言(HDL)模型，通常是可綜合的RTL模型，包括邏輯描述、網表和測試的文檔(Testbench)。軟IP設計周期短、投人少，與工藝無關，可靈活修改，在設計中只須對時序、面積和功耗進行修正，可復用性最高。基于軟核的設計(Soft Core-based design)是一種非常實用的SoC設計方法。它將系統的功能劃分為不同的軟核，包括微處理器、ALU、ROM、PC、ROM、I/0等。由于軟IP核僅提供能夠綜合的HDL描述，因此復用前需要深人地了解HDL文件描述的RTL模型，采用適當工藝技術的標準單元庫，再重新進行綜合、布局布線、后仿真提取網表、驗證時序等反復工作，最后集成到SoC設計中，因此SoC設計即生成的IP核和第三方復用IP核集成整合。
3 FSPLC微處理器IP核設計
3.1 IP軟核生成
文中基于AVR8位微處理器分析實際PLC梯形圖及其指令表，設計邏輯處理器LP、布爾處理器BP、存儲器位接口MBI等3個模塊用于提高PLC執行速度，下面以邏輯處理器LP單元模塊為例，描述IP軟核生成。PLC梯形圖包括8種基本電路:左分支觸點LBC/非觸點LBCN，右分支觸點RBC/非觸點RBCN， 雙分支觸點DBC/非觸點DBCN，不分支觸點NBC/不分支非觸點NBCN。文中根據這8種基本電路設計一個16xl6觸點矩陣電路，即邏輯處理器LP單元，矩陣中各個觸點由電子電路模擬PLC梯形圖基本電路。在任何一個觸點上包括橫線輸入、豎線輸入、引出輸出線圈。觸點矩陣*有256個橫線輸入圈節點hi，240個豎線輸入圈節點vi，256個輸出線圈Io。當一行超過16時，轉向下一行，以此構成矩陣電路，如hi[i]，vi[i]，lo[i]表示某個觸點的橫線輸入、豎線輸入、輸出，那么其同行的下一個觸點的橫線輸入、豎線輸入、輸出分別為hi[i+ 1]、vi[i+1]、lo[i+1]，其同列的下一個觸點hi[i+16]、vi[i+16]、lo[i+16]，那么輸出觸點的表達式為
I0[i]=I0[i-1]hi[i]+vi[i-16]lo[i-16]+vi[i]lo[i+16-1]hi[ i+16] 。
以此各個觸點彼此互相連接組成處理梯形圖的觸點矩陣。如圖1所示。
圖1 LP單元觸點電子電路模擬
邏輯處理器LP采用Verilog描述，借助Model-Sim進行功能仿真，驗證模塊功能的正確性。LP單元功能仿真波形如圖2所示。
圖2 LP單元功能仿真波形
驗證功能正確后，借助Synosys的綜合工具Synplify Pro對模塊進行綜合。綜合包括Compiling、Mapping、Optimization。綜合時將經ModelSim。功能仿真驗證的源代碼調人Synplify Pro，執行Compiler，編譯后，創建約束文件。sdc，編輯約束文件對模塊添加約束條件，包括時鐘、面積、扇人扇出、延時等，添加約束后執行綜合，產生網表文件。EDF。根據綜合后給出的。log文件觀察Constraint文件中的約束條件是否滿足需要，例如按照給出的“Worst Path Information，修改約束以滿足Worst Path的要求。綜合完成后在Quartus Ⅱ4。0展開網表文件，布局布線后編譯形成。sof文件，將此文件下級到Alters Nios開發板進行驗證，驗證正確后再借助ModelSim進行時序驗證。
3.2 AVR IP核復用
AVR 8位微處理器AT90S1200 IP核由opencores。org提供。整個微處理器IP核包括ALU、PC、SRAM、IR、ROM、I/0，控制等”個模塊，可以分成3個單元；取指單元、執行單元和I/0單元。指令執行時，取指單元負責取出下一個指令，執行單元負責執行當前指令，而LO單元負資和外界的連接。取指單元和執行單元組成微處理器的CPU。
整個AVRIP核包括許多寄存器:指令寄存器、指令備份寄存器、程序計數器、通用寄存器、存儲地址寄存器(MAR)，1/O口控制寄存器等。整個系統的工作就是基于這些寄存器之間的數據傳輸。設計所有的寄存器以及它們之間的組合邏輯及其連接就是系統的數據通道設計?？刂颇K決定怎樣進行寄存器傳愉。數據通道和控制單元組成了整個微處理器。
對于AT90S12001P核復用，考慮到IP核在SoC中集成整合，首先須徹底了解所復用核的架構和指令集，借助ModelSim進行功能仿真，建立Testbench平臺測試波形驗證功能的正確性，如圖3所示。編譯無誤且功能正確后借助Synplify Pro對IP核飾代碼進行邏輯綜合，如果VHDL程序正確無誤并且其編程風格符合Synplify Pro綜合要求，Synplify Pro將產生一個網表文件(。EDF文件)，再借助QuartusA4。0和ModelSim分別進行FPGA驗證和時序驗證，此過程不斷循環，直至復用的微處理器IP核沒有任何錯誤。
圖3 AVRIP復用測試平臺Testbench框圖
4 FSPLC微處理器核SOC設計
4.1 SOC硬件結構
根據FSPLCSOC系統功能定義，設計完成FSPLC微處理器硬件結構，如圖4所示。
圖4 FSPLCSOC硬件結構框圖
FSPLCSOC由AT90S1200、布爾處理器BP、存儲器位接口MBI、邏輯處理器LP，CAN總線1。0接口CBI、底板總線接口BBI等6個模塊組成。AT90S1200模塊是SOC的核心，實現PLC指令的執行；BP模塊由兩個位累加器和一個位邏輯堆淺BLS組成，該結構可以有效處理IEC61131-3(國際電工委員會制訂的基于Windows編程語言標準)PLC指令表語句中復雜的嵌套邏輯運算，使運行頻率最高的位指令達到最大的執行速度；存儲器位接口模塊由一個存儲器位尋址接口邏輯和一個8選1選擇器組成，為布爾處理器和數據存儲器之間的位訪間接口；CAN總線1。0接口CBI模塊和外部基于Atmega8515的USB-CAN適配器相連，通過此適配器FSPLC可以和其他帶有CAN接口的PLC實現CAN通訊；通過底板總線接口BBI模塊可以在FSPLC片外擴展模塊，最多可以達到8個，包括I/0擴展模塊、AID模塊、D/A模塊、計數模塊等。其中AT90S1200，MBI，LP，CBI，BBI模塊通過內部總線連接，BP通過MBI模塊轉換實現和其他模塊的連接。
4.2 FSPLCSOC仿真、綜合、驗證
由于SOC設計是一種面向IP核集成的設計，整合后的SOC模塊同第三方IP核復用一樣需要進行模塊的仿真、綜合和驗證。FSPLC SOC同復用AT90SI200核一樣借助ModelSim進行功能仿真和驗證后時序仿真，借助Synplify Pro進行綜合。
下面具體描述FSPLCSOC的驗證，SOC設計中包含了系統設計和模塊設計，因此SOC驗證一般包含了模塊驗證、芯片驗證和系統驗證三個部分。由于FSPLCSOC涉及到的主要是數字IP核，文中采用Altera NioslI開發板作為設計的驗證平臺，該開發板帶有一個20多萬門的Altera EP20K200EFC484-2的FPGA芯片、撥碼開關、數碼顯示器等，用一個實際PLC應用程序在此開發板上對FSPLCSOC進行了可行性驗證，同時通過對AVR編譯器Avral。0的編譯代碼變量中增加PLC指令代碼，使之能夠對PL(:指令進行編譯。圖5，圖6分別為PLC控制程序的梯形圖及其匯編程序。
圖5 PLC控制程序的梯形圖
開發板的撥碼開關SWl的1、2、3、4來模擬上述開關的閉合，觀察數碼顯示器Dl數碼段明暗，驗證設計的可行性。FSPLCSOC在Altera Nios開發板的FPGA芯片上進行了可行性驗證，獲得了理想的運行效果:在33MHz晶振下，執行基本邏輯指令速度為0。09μ/條，達到了國際上大中型PLC的處理速度。
圖6 PSPLC匯編程序
5 結束語
目前IC產業中，SOC已成為最主要的集成電路設計方法8位RISC微處理器芯片設計正在向SOC化發展，通過IP核復用方法以縮短周期、降低成本、提高效率。文中基于IP核復用和SOC技術借助ModelSim、Synplify Pro、QuartusⅡ等EDA軟件設計了擁有自主知識產權的專用PLC微處理器SOC模塊FSPLC，在復用了第三方AVRAT90SI200IP核基礎上集成了自行設計的LP、BP、MBI、CBI、BBI等模塊，具有快速處理PLC梯形圖程序、快速處理IL語句表中復雜的嵌套邏輯運算、PLC之間CAN總線通訊等優點。最后采用Altera NiosII作為驗證平臺，對實際的PLC應用程序做了可行性驗證，獲得了理想的效果。
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