基于FPGA的SOC外部組件控制器IP的設計

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　　1 引言

　　本文側重于介紹IP 模塊中組件控制器的設計和實現(xiàn)。一個基于FPGA 的LCD 控制器設計作為例子被介紹。這個組件控制器設計屬于固核IP 設計，也就是軟硬結合的方法。設計內(nèi)容主要包括電路結構、VHDL 框架和仿真結果。該設計實現(xiàn)了面向可重配置SOC 的單指令驅(qū)動LCD 操作。

　　2 SOC 組件與組件控制器

　　SOC 組件是SOC 為實現(xiàn)某種操作功能所需要的器件或設備。這些組件可以是內(nèi)部的也可以是外部的，如LCD、鍵盤、設備驅(qū)動器等是外部組件，電子轉(zhuǎn)換器、變換器、放大器等則屬于內(nèi)部組件。無論是內(nèi)部，還是外組件，其控制單元都要被設計在SOC 內(nèi)部。作為一個系統(tǒng)的核心，SOC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應的組件配合。而多數(shù)組件，尤其是外部組件在SOC 內(nèi)都要有一個對應的控制器。所以，為了實現(xiàn)應用對象操作，SOC 要設計相當數(shù)量的組件控制器。組件控制器的設計，對SOC 而言就是一些IP 模塊的設計。

　　SOC 與外部組件的基本關系見圖1。相對于外部組件而言，SOC 由微處理器核MP(microprocessor)和相關的控制器IP 構成。為了得到最優(yōu)的控制效率，SOC 的MP 常常被設計成可重配置(reconfigurable)的MP[5]。這意味著用戶可對MP 的一些配置進行修改和添加以適應應用系統(tǒng)的需要，如用戶可以對MP 的指令系統(tǒng)進行重新配置，設計加入用戶需要的專用指令。為了區(qū)別于一般的MP，圖1 中的給出了SOC-MP 來代表用于SOC 的MP 核

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　　圖1 SOC 與外部組件的基本關系

　　SOC的組件控制器與專用指令配合可以實現(xiàn)一些復雜操作的單指令運行，從而大大提高了SOC應用系統(tǒng)的操作速度和運行效率[6]。這也正是嵌入式系統(tǒng)的專用設計特性和高效控制優(yōu)勢的體現(xiàn)。

　　盡管SOC 的IP 核分為硬核、軟核、固核，對于非專業(yè)集成電路設計的用戶來說，多數(shù)采用基于FPGA 的設計方法。實際上也就是軟硬結合的IP 固核設計。本文介紹的是一種用VHDL 硬件描述語言在FPGA 上設計SOC 外部組件控制器IP 的方法。

　　3 LCD 控制器的設計

　　液晶顯示器 LCD(Liquid Crystal Display)是SOC 的一種外部組件，會經(jīng)常被用到。為了實現(xiàn)SOC 對LCD 的高效管理，要設計一個LCD 控制器IP 模塊。這個模塊被命名為lcd_fct。外部組件LCD 與SOC 的關系與控制結構可參考圖2。

　　對照圖1 可以看出，圖2 中的lcd_fct 是外部組件控制器IP，它位于LCD 和MP 之間，通過數(shù)據(jù)(data)、地址線(address)、控制(control, write_e)和信號線(lcd_busy)等與MP 和LCD 建立聯(lián)系。

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　　圖2 外部組件LCD 的SOC 控制結構

　　在這個設計中對LCD 控制器lcd_fct 的要求是：lcd_fct 接受來自MP 的指令，如初始化、清屏和顯示等。lcd_fct 按照指令的要求產(chǎn)生一系列控制信號和相應的時序來控制LCD 模塊完成相應的操作。實際上，lcd_fct 對LCD 模塊的操控主要包括LCD 初始化、清屏、傳送顯示數(shù)據(jù)和地址。

　　當lcd_fct 的輸入信號reset 是低電平時，復位電路(Reset Circuit)開始工作，進行初始化操作、對標志和狀態(tài)清零、設定相關常數(shù)等。

　　時鐘調(diào)節(jié)電路(Clock Regulator)主要為定時器提供具有高質(zhì)量波形的時鐘。為滿足運行中不同時序的需要, lcd_fct 中設計了微秒定時器(μs Timer)和毫秒定時器(ms Timer)。定時的時間常數(shù)被放在時間常數(shù)寄存器(Time Constant Register)中。

　　從MP 來的地址(addrin)和控制(write_e)信息被送到譯碼器(Decoder)。譯碼器根據(jù)不同的地址和控制信息產(chǎn)生相應的指令標志，如復位、清零等。并把指令標志送給控制電路(Control Circuit)。

　　控制電路(Control Circuit)是lcd_fct 的核心。它控制數(shù)據(jù)輸入寄存器(Data_in Register)、數(shù)據(jù)輸出寄存器(Data_out Register)、狀態(tài)寄存器(State Register)、控制寄存器(Control Register)和時間常數(shù)寄存器(Time Constant Register)。控制電路根據(jù)指令標志和時序來操作不同的寄存器，實現(xiàn)lcd_fct 的管理和運行。

　　數(shù)據(jù)輸入寄存器接受來自MP 的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)輸出寄存器。數(shù)據(jù)輸出寄存器把數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線lcd_db 送到LCD 模塊的數(shù)據(jù)總線上。這個數(shù)據(jù)既可能是要顯示的數(shù)據(jù)，也可能是指令。

　　控制寄存器產(chǎn)生操作LCD 的控制信號，如LCD 中選信號(lcd_e)、LCD 內(nèi)部寄存器選擇信號(lcd_rs)和LCD 讀寫信號(lcd_r_w)。

　　狀態(tài)寄存器在LCD 處于工作下，會產(chǎn)生LCD 繁忙信號(lcd_busy)。這意味著，LCD 此時不會接受其它指令。與其它信號不同，lcd_busy 是發(fā)送給MP 的。

　　實際上lcd_fct 的運行操作主要是對各種控制、狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號進行管理。