1 SoPC與IP核

　　可編程片上系統(tǒng)(System on Programmable Chip，SoPC)，是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。他將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。他的實(shí)質(zhì)是SoC(System on Chip)技術(shù)，與其他SOC技術(shù)相比，他的特點(diǎn)在于可編程性。

　　SoPC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一是IP核(Intellectual Property Core)，即知識(shí)產(chǎn)權(quán)核。IP核是指將一些在數(shù)字電路中常用但比較復(fù)雜的功能塊，如SDRAM控制器、PCI接口都設(shè)計(jì)成參數(shù)可修改的模塊，供用戶直接調(diào)用。IP核有3個(gè)來(lái)源：EDA廠商提供、第三方提供、用戶自定義。一般，EDA廠商及第三方提供的IP核都是功能上比較通用，但在實(shí)際SoPC設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶常有特殊需求，這就要求用戶用自定義邏輯實(shí)現(xiàn)所需的功能，因此在SoPC設(shè)計(jì)中，如何靈活地加入用戶自定義邏輯就顯得尤為重要。

2 Avalon總線

　　Avalon交換式總線是由Altera開(kāi)發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)。Avalon交換式總線由SoPC Builder自動(dòng)生成，是一種理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線，其定義的內(nèi)聯(lián)線策略使得任何一個(gè)Avalon總線上的主外設(shè)都可以與任何一個(gè)從外設(shè)溝通。

　　Avalon接口定義Avalon外設(shè)與Avalon交換結(jié)構(gòu)之間的連接。Avalon接口是一個(gè)靈活的接口，工程師可以只使用系統(tǒng)所需的幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Avalon接口的一些顯著特性如下：

　　(1)使用獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)、控制線，提供與片上邏輯簡(jiǎn)單的接口；

　　(2)支持最高達(dá)128位的數(shù)據(jù)寬度，支持不是2的偶數(shù)冪的數(shù)據(jù)寬度；

　　(3)支持同步操作，所有Avalon外設(shè)的接口與Avalon交換結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘同步，不需要復(fù)雜的握手／應(yīng)答機(jī)制；

　　(4)支持動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊，可處理具有不同數(shù)據(jù)寬度的外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸；

　　(5)接口協(xié)議簡(jiǎn)單；資源占用少；

　　(6)Avalon接口性能很高，可達(dá)到每個(gè)時(shí)鐘傳輸1次。

　　Avalon總線為用戶提供了非常友好的接口，使系統(tǒng)搭建過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題得到屏蔽，大大減輕系統(tǒng)搭建的工作量。此外，Avalon總線的“從外設(shè)仲裁”機(jī)制，消除了帶寬瓶頸，實(shí)現(xiàn)了無(wú)與倫比的系統(tǒng)吞吐量。

3 用戶自定義IP核的開(kāi)發(fā)流程

　　用戶自定義IP核按照對(duì)Avalon總線操作的不同可分為Avalon Master外設(shè)、Avalon Slaver外設(shè)及AvalonStreaming外設(shè)。用戶開(kāi)發(fā)的外設(shè)大多為Avalon Slaver外設(shè)，Avalon Master和Avalon Streaming外設(shè)的開(kāi)發(fā)比Avalon Slaver外設(shè)要復(fù)雜，但開(kāi)發(fā)流程相同。一個(gè)典型的Avalon外設(shè)的開(kāi)發(fā)步驟如下：

　　(1)規(guī)劃元件的硬件功能。如果采用微控制器來(lái)控制該元件，則規(guī)劃訪問(wèn)該硬件的應(yīng)用程序接口(API)；

　　(2)在硬件和軟件要求的基礎(chǔ)上，定義一個(gè)恰當(dāng)?shù)腁valon接口(一般為Avalon從端口)；

　　(3)使用硬件描述語(yǔ)言描述硬件邏輯。一個(gè)典型元件的硬件架構(gòu)一般3部分組成：接口模塊(avalon interface)作為頂層模塊，定義總線接口信號(hào)；寄存器文件模塊(register file)完成該元件與外部信號(hào)進(jìn)行通信，提供訪問(wèn)與控制元件的邏輯界面；行為模塊(task logic)實(shí)現(xiàn)元件的硬件功能。片上總線AvaIon從端口的信號(hào)都不是必須的，一個(gè)典型的Avalon從端口所包含的信號(hào)如表1所示。

　　(4)單獨(dú)驗(yàn)證元件的硬件功能；

　　(5)寫(xiě)用于描述寄存器的C頭文件來(lái)為軟件定義硬件寄存器映像；

　　(6)寫(xiě)元件的驅(qū)動(dòng)軟件；

　　(7)把通過(guò)測(cè)試的源代碼使用元件編輯器封裝硬件HDL和軟件文件，完成元件定制。

4 TLC5628自定義IP核的開(kāi)發(fā)

4.1 TLC5628 D／A轉(zhuǎn)換器

　　TLC5628是TI公司生產(chǎn)的8位8通道串行D／A轉(zhuǎn)換器，采用5 V單電源供電，輸出電壓范圍可編程。輸出電壓編程范圍由RNG位控制，當(dāng)RNG位為1時(shí)，輸出電壓范圍為0～2×Vref；當(dāng)RNG位為0時(shí)，輸出電壓范圍為0～Uref。A2A1A0位表示D／A輸出通道選擇，000～111分別對(duì)應(yīng)第1～8通道，D7～D0是輸出數(shù)據(jù)位。TLC5628D／A轉(zhuǎn)換器時(shí)序圖見(jiàn)圖1。

4.2 硬件部分構(gòu)建

4.2.1 接口模塊的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)TLC5628 D／A的功能描述，該模塊所需的Avalon總線輸入信號(hào)為chipselect，CLK，address，write，write-data及reset信號(hào)，是一個(gè)典型的只向Avalon總線寫(xiě)數(shù)據(jù)的模塊。而模塊輸出則為dac_clk，dac_data，dac_load及dac_ldac信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)TLC5628 D／A的串行輸入時(shí)鐘，串行輸入數(shù)據(jù)，串行載入及更新輸出控制，其對(duì)應(yīng)框圖(也即TLC5628 D／A與Avalon總線的接口圖)如圖2所示，該接口模塊定義了總線接口信號(hào)，作為頂層模塊。

　　Avalon總線接口設(shè)計(jì)文件的端口說(shuō)明部分如下：

4.2.2 寄存器文件模塊

　　寄存器文件模塊實(shí)現(xiàn)該元件與外部信號(hào)進(jìn)行通信，提供了訪問(wèn)與控制元件的邏輯界面。

　　在寄存器文件中，Avalon總線的地址信號(hào)(address)為2位，address為00表示分頻寄存器，用以產(chǎn)生串行D／A的輸入時(shí)鐘，32位分頻寄存器數(shù)據(jù)位只寫(xiě)；address為01表示數(shù)據(jù)寄存器，32位數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)位只可寫(xiě)，address為10和11位保留。

　　Avalon總線數(shù)據(jù)信號(hào)在chipselect和write信號(hào)的控制下，向寄存器寫(xiě)入分頻數(shù)和數(shù)據(jù)位。當(dāng)向分頻寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，32位數(shù)據(jù)表示分頻數(shù)；當(dāng)向數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入32位數(shù)據(jù)時(shí)，保留后12位數(shù)據(jù)(8位數(shù)據(jù)位+RNG位+3位通道選擇位)。該控制過(guò)程由同步有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

4.2.3 行為模塊的實(shí)現(xiàn)

　　行為模塊實(shí)現(xiàn)元件的硬件功能，接收來(lái)自Avalon總線的數(shù)據(jù)，在寫(xiě)使能信號(hào)的控制下，向TLC5628 D／A輸入寄存器寫(xiě)入通道選擇及數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)的發(fā)送及存儲(chǔ)由同步有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。在寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)使能時(shí)，輸入數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的控制下依次寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)12位數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入后，內(nèi)部標(biāo)志位dac_dat_send_finish置位，數(shù)據(jù)發(fā)送完成，進(jìn)入數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)，此時(shí)置位Load信號(hào)(LDAC信號(hào)一直為低)，DAC更新輸出數(shù)據(jù)。在QuartusⅡ6.0環(huán)境下，基于EPlC6Q240C8器件的仿真波形如圖3所示。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括寄存器頭文件的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)軟件及測(cè)試程序的設(shè)計(jì)。寄存器頭文件avalon_tlc5628_regs.h定義了對(duì)TLC5628的寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作的宏。IORD和IOWR是硬件抽象層(HAL)提供的2個(gè)訪問(wèn)寄存器的C語(yǔ)言宏。下面2行代碼分別是對(duì)分頻寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的寫(xiě)操作宏。

　　驅(qū)動(dòng)軟件包括avalon_tlc5628.h和avaIon_tIc5628.c文件。avalon_tlc5628.h定義了驅(qū)動(dòng)函數(shù)的原型及常量，avalon_tlc5628.c則實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的功能。avalon_tlc5628.c中定義了2個(gè)函數(shù)，一個(gè)是TLC5628初始化函數(shù)avalon_tlc5628_init()，完成TLC5628初始化，設(shè)置串行時(shí)鐘、通道選擇、電壓輸出范圍編程及數(shù)據(jù)初始化；另一個(gè)是TLC5628輸出數(shù)據(jù)更新函數(shù)avalon_tlc5628_update_data()，用以改變輸出的通道數(shù)和電壓值。

　　測(cè)試程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。如：avalon_tic5628_init(TLC5628_BASE，250，0x0)，設(shè)置TLC5628的串行輸入時(shí)鐘為100 kHz；avalon_tlc5628_update_data(TLC5628_BASE，0x340)，設(shè)置TLC5628的第二輸出通道DACB輸出的電壓為2×VREF／4。

4.4 封裝和發(fā)布

　　在軟件和硬件設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)SoPC Builder提供的“元件編輯器”進(jìn)行封裝。當(dāng)HDL文件加入后，指定接口模塊為頂層模塊，同時(shí)指定端口說(shuō)明中的信號(hào)類型。如CLK被指定為“clk”類型，address被指定為“address”類型，dac_lclk，dac_load，dac_data及dac_ldac被指定為“export”類型。之后，SoPC Builder會(huì)在當(dāng)前目錄下生成tlc5628_avalon_interface子目錄。子目錄中包含class.ptf文件、腳本文件及源代碼文件。這樣，TLC5628 IP核的封裝和發(fā)布就完成，其他用戶也就可以共享TLC5628 IP核。

5 結(jié)語(yǔ)

　　在SoPC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以靈活方便地加入IP核，減輕工程師開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)，避免重復(fù)勞動(dòng)。本文通過(guò)介紹基于Avalon總線TLC5628自定義IP核的開(kāi)發(fā)詳細(xì)闡述SoPC設(shè)計(jì)環(huán)境下用戶自定義IP核的開(kāi)發(fā)流程，對(duì)于開(kāi)發(fā)較復(fù)雜IP核有一定的借鑒作用。