基于FPGA的SOC外部组件控制器IP的设计

1 引言

嵌入式系统已经发展成为应用最广的计算机系统［1］。SOC（System On a Chip）则是嵌入式系统的研究和开发热点。SOC 的核心概念是把整个系统集成到一片半导体芯片上。目前SOC 的中文名称还不统一，可被叫做集成系统芯片、系统芯片或片上系统等。基于可编程器件FPGA（Field programmable Gate Arrays）的SOC 可被称作SOPC（System on a Programmable Chip）或PSOC(Programmable SOC) ［2］。基于FPGA 的设计为可重配置（reconfigurable）的SOC 的开发带来了方便［3］。SOC 运用现代计算机和微电子学的高技术，实现单片系统集成，减小了体积、提高了运行效率、增强了可靠性、降低了功耗、减少了成本，因此被称作嵌入式系统应用的理想结构和高端形式。

IP（Intellectual Property）是SOC 设计不可或缺的部分。在某种程度上，可以说SOC=MP+IP。微处理器MP（Microprocessor）是SOC 的核心。IP 是SOC 各种功能实现的模块。IP 模块也被称作IP 核，IP 核又可分为硬核、软核、固核［4］。由于SOC 是针对某种应用或对象设计的专用系统，系统的实现很大程度上依赖于功能模块的设计。此外，许多MP 核可以在市场上买到。因此，IP 模块的开发已成为许多用户设计SOC 的主要工作。

本文侧重于介绍IP 模块中组件控制器的设计和实现。一个基于FPGA 的LCD 控制器设计作为例子被介绍。这个组件控制器设计属于固核IP 设计，也就是软硬结合的方法。设计内容主要包括电路结构、VHDL 框架和仿真结果。该设计实现了面向可重配置SOC 的单指令驱动LCD 操作。

2 SOC 组件与组件控制器

SOC 组件是SOC 为实现某种操作功能所需要的器件或设备。这些组件可以是内部的也可以是外部的，如LCD、键盘、设备驱动器等是外部组件，电子转换器、变换器、放大器等则属于内部组件。无论是内部，还是外组件，其控制单元都要被设计在SOC 内部。作为一个系统的核心，SOC要完成运行、操作或控制功能，必须有相应的组件配合。而多数组件，尤其是外部组件在SOC 内都要有一个对应的控制器。所以，为了实现应用对象操作，SOC 要设计相当数量的组件控制器。组件控制器的设计，对SOC 而言就是一些IP 模块的设计。

SOC 与外部组件的基本关系见图1。相对于外部组件而言，SOC 由微处理器核MP（microprocessor）和相关的控制器IP 构成。为了得到最优的控制效率，SOC 的MP 常常被设计成可重配置（reconfigurable）的MP［5］。这意味着用户可对MP 的一些配置进行修改和添加以适应应用系统的需要，如用户可以对MP 的指令系统进行重新配置，设计加入用户需要的专用指令。为了区别于一般的MP，图1 中的给出了SOC-MP 来代表用于SOC 的MP 核

图1 SOC 与外部组件的基本关系

SOC的组件控制器与专用指令配合可以实现一些复杂操作的单指令运行，从而大大提高了SOC应用系统的操作速度和运行效率［6］。这也正是嵌入式系统的专用设计特性和高效控制优势的体现。

尽管SOC 的IP 核分为硬核、软核、固核，对于非专业集成电路设计的用户来说，多数采用基于FPGA 的设计方法。实际上也就是软硬结合的IP 固核设计。本文介绍的是一种用VHDL 硬件描述语言在FPGA 上设计SOC 外部组件控制器IP 的方法。

3 LCD 控制器的设计

液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display）是SOC 的一种外部组件，会经常被用到。为了实现SOC 对LCD 的高效管理，要设计一个LCD 控制器IP 模块。这个模块被命名为lcd_fct。外部组件LCD 与SOC 的关系与控制结构可参考图2。

对照图1 可以看出，图2 中的lcd_fct 是外部组件控制器IP，它位于LCD 和MP 之间，通过数据（data）、地址线（address）、控制（control, write_e）和信号线（lcd_busy）等与MP 和LCD 建立联系。

图2 外部组件LCD 的SOC 控制结构

在这个设计中对LCD 控制器lcd_fct 的要求是：lcd_fct 接受来自MP 的指令，如初始化、清屏和显示等。lcd_fct 按照指令的要求产生一系列控制信号和相应的时序来控制LCD 模块完成相应的操作。实际上，lcd_fct 对LCD 模块的操控主要包括LCD 初始化、清屏、传送显示数据和地址。

当lcd_fct 的输入信号reset 是低电平时，复位电路（Reset Circuit）开始工作，进行初始化操作、对标志和状态清零、设定相关常数等。

时钟调节电路（Clock Regulator）主要为定时器提供具有高质量波形的时钟。为满足运行中不同时序的需要, lcd_fct 中设计了微秒定时器（μs Timer）和毫秒定时器（ms Timer）。定时的时间常数被放在时间常数寄存器（Time Constant Register）中。

从MP 来的地址（addrin）和控制（write_e）信息被送到译码器（Decoder）。译码器根据不同的地址和控制信息产生相应的指令标志，如复位、清零等。并把指令标志送给控制电路（Control Circuit）。