防空兵指揮學(xué)院 張春生 宋 磊 張海瑞

SOPC設(shè)計中自定義IP的開發(fā)

防空兵指揮學(xué)院 張春生 宋 磊 張海瑞

近年來，隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，作為可編程邏輯器件之一的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計性能和性價比已完全能夠與ASIC抗衡。SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）技術(shù)正是在可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統(tǒng)解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS和UART等系統(tǒng)設(shè)計所需要的部件集成到一片F(xiàn)PGA器件上，各個部件一般都以IP核的形式構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)，它所具有的靈活性、低成本等特點讓系統(tǒng)設(shè)計者獲益匪淺。

一、SOPC技術(shù)與IP核

1.IP核。SOPC的主要思想是提供1個IP庫，用戶從IP庫中選擇IP核來組裝系統(tǒng)，因此IP核是SOPC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。雖然IP核一詞在眾多場合中已被多次使用，但它并沒有一個統(tǒng)一的定義。IP核從概念上可以理解為將一些在數(shù)字電路中常用但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、UART控制器等設(shè)計成可修改參數(shù)的模塊，讓其他用戶可以直接調(diào)用這些模塊的組件，這樣就可以大大減輕工程師的負擔(dān)，避免了人員的重復(fù)勞動，也縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。

2.SOPC技術(shù)與IP核。IP核設(shè)計一般可以有3種方法，即EDA廠商提供、用戶自己定義和第3方提供。一般來說，EDA廠商及第3方提供的IP核在功能上都是通用的，但是在進行SOC設(shè)計時，用戶經(jīng)常有特殊需求，這時必須通過自定義邏輯來實現(xiàn)所需要的功能。所以在進行SOC設(shè)計時，如何靈活地加入用戶自定義邏輯就顯得尤為重要。

二、基于EDK的SOPC開發(fā)技術(shù)

1.常用的SOPC開發(fā)。在進行SOPC系統(tǒng)開發(fā)時，首先要做的是選擇FPGA平臺、處理器方案以及開發(fā)軟件，目前常用的是由世界上2大主要的FPGA器件生產(chǎn)廠商所提供SOPC方案及相關(guān)開發(fā)套件：一是Altera公司的FPGA產(chǎn)品，采用Nios處理器軟核或硬核ARM，開發(fā)工具由QuartusⅡ和SOPC Builder組成。二是Xilinx公司的FPGA產(chǎn)品，基于Microblaze軟核或Powerpc405硬核，開發(fā)工具由ISE和EDK組成。

2.基于EDK的SOPC開發(fā)過程。下面就以Xilinx公司的軟件EDK為例介紹SOPC系統(tǒng)的開發(fā)過程。EDK有一個友好的圖形用戶界面，通過這個界面，用戶可以從Xilinx提供的IP庫中選取一些組件，比如處理器、SDRAM、Flash、各種I/O等，并可通過選擇配置相應(yīng)的參數(shù)。EDK有一個十分重要的功能就是在進行SOPC設(shè)計時，如果用戶有特殊功能需求，但IP庫中沒有，用戶可以加入自定義的邏輯來實現(xiàn)，SOPC的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 SOPC開發(fā)流程

三、自定義IP開發(fā)實例

1.系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計要求。這里以1個在控制系統(tǒng)中常用的脈沖寬度調(diào)制電路（PWM）為實例，設(shè)計1個PWM用戶邏輯并利用EDK將它集成到SOPC系統(tǒng)中。我們事先假定FPGA中已經(jīng)存在1個基于Microblaze的嵌入式系統(tǒng)中，在此前提下將PWM外設(shè)集成到OPB總線上，并進行功能驗證。PWM的具體設(shè)計要求如下：要求信號周期可調(diào)，脈沖的寬度可調(diào)，可以控制PWM的輸出使能，PWM直接通過1個FPGA管腳輸出。按照以上設(shè)計要求，我們設(shè)定PWM外設(shè)共有3個寄存器，分別為Clock_Divisor寄存器、Duty_Cycle寄存器和Control寄存器。

2.模塊功能設(shè)計。PWM外設(shè)的核心是1個計數(shù)器，由Clock_Divisor寄存器來控制計數(shù)周期，當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)值大于Clock_Divisor寄存器的設(shè)定值時，計數(shù)器清零；否則，在時鐘信號觸發(fā)下，輸出使能控制位為1時計數(shù)器進行加1計數(shù)。PWM模塊的輸出是計數(shù)器的計數(shù)值與Duty_Cycle比較的結(jié)果，當(dāng)輸出使能有效并且計數(shù)值大于Duty_Cycle寄存器的值時，輸出為1。

3.模塊集成。在XPS集成開發(fā)環(huán)境中，集成了一個creat/ import peripheral向?qū)Чぞ?，利用該向?qū)Чぞ呔湍茌p松地創(chuàng)建或?qū)胍粋€用戶自定義的外設(shè)。在向?qū)е?，我們只需確定與總線的接口是3個32位的寄存器即可，向?qū)瓿稍O(shè)計后，工程目錄（project）中會自動生成drivers和pcores這2個文件夾，這2個文件夾中包含了自定義外設(shè)的相關(guān)信息，drivers文件夾里以應(yīng)用程序接口函數(shù)API的形式提供了自定義外設(shè)的驅(qū)動程序，從而完成了對外設(shè)的讀寫和測試，用戶在開發(fā)包含自定義外設(shè)的高層應(yīng)用軟件時就可以直接調(diào)用這些接口函數(shù)。

4.外線與總線的接口描述。在pcores文件夾目錄下有3個文件比較重要，即user_logic、MPD和PAO文件。user_logic文件是集成工具生成的用戶模板文件，該文件中給出了OPB總線的接口信號，用戶只需根據(jù)接口信號的驅(qū)動要求，在用戶模板中就能完成模塊的功能設(shè)計。PWM外設(shè)與總線的接口描述如下所示：

5.功能驗證。在自定義外設(shè)集成到系統(tǒng)中后，通過調(diào)用仿真模型生成器（SimGen），生成仿真文件，然后利用Modelsim仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真，通過仿真我們就能夠快速驗證自定義邏輯的功能是否正確，PWM外設(shè)仿真波形如圖2所示。

在圖2中，pwm_out是PWM的輸出信號，opb_abus、opb_dbus和opb_select分別是OPB總線的地址總線、數(shù)據(jù)總線和片選信號。我們在應(yīng)用程序中對PWM的3個寄存器進行3次配置：第一次把占空比設(shè)置成1：1；第二次設(shè)置成2：1；最后將輸出使能關(guān)閉。