基于SoC的PSTN短消息终端系统的软硬件设计

1 概述

PSTN短消息终端SoC是为固定电话网短消息业务而设计的一种数字终端处理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF调制解调器、 LCD接口、键盘扫描、数据存储器扩展页面寻址接口以及线路状态控制接口;可以完成FSK和DTMF格式的短消息上传、下传，CID(Calling IdenTIty Delivery，主叫识别信息传送)号码的接收，振铃信号检测，话机状态控制等功能[1]，提供了PSTN短消息终端的单芯片解决方案。其中，使用了 DW8051_core IP核作为SoC的微控制器核心。

SoC(System on chip，片上系统)不仅指它的硬件平台，还包括运行在其上的软件成分。如果系统采用全硬件设计的方案，优点是速度快、效率高，但是研制周期长，从而成本也高;用软件实现则更为灵活，研制周期短。缺点是速度慢，效率比较低。因此，SoC设计必须在硬件与软件功能划分上有一个合理的权衡，并进行协同设计 [2]。

2 SoC系统任务的软硬件功能划分

系统任务按功能可以分为通信、人机交互、Flash存储器管理和外设管理四部分。通信的物理层功能即DTMF/FSK信号的调制解调，涉及插值、加权、相关等DSP运算。考虑到通信的实时性要求和所使用8位微控制器的数据处理能力，这些运算由专门设计的Modem硬件逻辑实现;而在数据链路层，比如建立和释放与服务器的连接、超时控制、接收FSK数据帧、拆包、差错控制、提取返回消息层的信息和相应标志位的建立等，都交给微处理器由软件实现。人机交互中的键盘扫描要不断判断是否有按键动作发生，用软件实现效率低，这里也用专门的硬件逻辑实现。其他人机交互功能，如菜单操作、短信编辑等，则都由软件实现。Flash存储器管理和外设管理在硬件提供了接口寄存器的情况下，由软件实现。

把实时性强、运算量大和重复性强的功能交给硬件去实现，然后在满足系统性能要求的情况下，把尽可能多的任务留给片上的微控制器用软件实现。这样降低了SoC的硬件复杂度以及制造成本，同时系统也可以获得最大的灵活性。

3 SoC的软硬件协同设计

3.1 对微控制器核的配置和扩展

DW8051_core是Synopsys公司提供的一个与8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4个时钟周期为1个指令周期的模式，在时钟周期相同的情况下，处理能力是标准8051的3倍。DW8051_core访问程序存储器和数据存储器的MEM地址总线是16位总线，避免了传统 8051结构中数据总线和地址总线低位的时分复用问题。

由于DW8051_core是一个IP软核(soft core)，所以可以对它进行配置和扩展。在综合(synthesis)的时候，通过对参数文件的设置，可以选择配置内部RAM是128字节还是256字节;可以选择是否使用定时/计数器2，使用1个串口还是2个串口等。用户还可以按照DW8051_core手册的要求使用硬件描述语言编写硬件逻辑，扩展 SFR总线和中断系统(最多可以扩展到13级中断)[3]。

在SoC设计中，只使用到了微控制器核的1个硬件定时器(Timer0)，1个外部中断(Interrupt0)，1个串行口(UART)，并没有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只会增加系统的硬件负担，所以按照最精简的原则配置DW8051_core：使用内部128字节RAM，不使用定时/计数器2，不使用内部ROM，只使用1个串口，不扩展中断。在DW8051_parameter.vhd文件中，作如下的参数设定 [3]可以完成上述配置：

package DW8051_parameter is

constant ram_256 : integer := 0;

constant timer2 : integer := 0;

constant rom_addr_size : integer := 0;

constant serial : integer := 0;

constant extd_intr : integer := 0;

end DW8051_parameter;

SoC中的FSK/DTMF调制解调器、LCD接口、键盘扫描、数据存储器扩展页面寻址接口以及线路状态控制接口等，都作为片内外设连接在 DW8051_core所特有的SFR内部总线上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存储器AM29LV040都连接在DW8051_core的MEM总线上，如图1所示。

图1 经过扩展的DW8051_core SFR总线以及SoC系统结构

3.2 外设在SFR总线上的地址映射

DW8051_core通过SFR地址总线sfr_addr[0:7]，SFR读信号sfr_rd，SFR写信号sfr_wr，SFR数据输出总线sfr_data_out[0:7]，数据输入总线sfr_data_in[0:7]来访问映射到SFR总线上的片上外设。每一个外设都通过SFR地址映射成SFR总线上的一个寄存器，如图2所示。

对这些扩展SFR寄存器的访问和对普通寄存器的访问在形式上并没有区别。当应用程序使用Keil的C51编译器时，修改reg51.h文件可以让编译器确认用户所扩展的SFR寄存器。对扩展SFR外设地址的分配可以根据设计需要而不同，但是只能使用DW8051_core没有保留和占用的地址，否则会发生冲突。在reg51.h文件中添加以下语句让编译器确认扩展的寄存器：

sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 扩展，发送Modem数据，只写 */

sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 扩展，读FSK解调数据，只读 */

sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 扩展，读DTMF解调数据，只读 */

sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 扩展，Modem状态，只读 */