基于FPGA的SOC设计与实现

为减少在印制电路板（PCB）设计中的面积开销，介绍一种Flash结构的现 场可编程门阵列（FPGA）器件，进而介绍采用该器件搭建基于先进精简指令集机器（ARM）的片上系统（SOC）电路的设计方法，该方法按照高级微控制器总线架构（AMBA），设计ARM7处理器微系统及其外设电路，通过用搭建的系统对片外存储器进行擦写，以及通过编写软硬件代码定制符合ARM7外围低速总线协议的用户逻辑外设，验证了系统的准确性，该系统可用于验证SOC设计系统。
近年来，SOC技术得到了快速的发展，逐渐 成为微电子行业的主流。SOC称为系统级芯片，是一个有专用目标的集成电路，能集成数字电路、硬件专用电路、存储器、微处理器等多种异构模块，实现多个复杂的应用功能，具有速度快、集成度高、功耗低、开发周期短等优点。
随着集成电路速度的加快和设计复杂性提高，新的技术不断被引进，国内外相继开展了SOC技术及器件的研究，其中一个显着的特点就是将SOC的可靠性和低成本与FPGA的灵活性等优势结合起来，在业界中知名的FPGA芯片公司中，如Ahera公司的Cyclone V和A1Tia V系列引，Xilinx公司的Zynp系列，Actel公司的M7A3P1000，其都内嵌了ARM微处理器，在逻辑设计、片上系统中都有广泛的应用。
本文选用Actel公司的FPGA器件，型号为M7A3P1000,采用该器件对SOC进行设计验证。该器件采用Flash结构，相比于采用静态随机存储器（SRAM）结构的Ahera和Xilinx公司的FPGA器件，其下载的程序在掉电后不丢失，因此不需专用的配置芯片，故在PCB设计中可降低设计的复杂度，减少面积的开销。此外，该器件所具有的的 加密功能，可有效的保护知识产权。设计中，首先在该芯片中搭建基于ARM7的SOC系统，最后用两种方法验证该SOC系统的正确性：一是用该系统对片外存储器进行擦写操作；二是用该系统测试用户定制逻辑外设。
1 系统原理
在SOC设计中，常见的架构都是以微处理器或数字信号处理器（DSP）为中心，加上存储器，外设等，再通过片上总线把处理器和外设进行互连，本设计采用的FPGA型号为M7A3P1000芯片，因其内嵌一个基于AMBA总线架构、且完全兼容ARM7微处理器，故可以在非常低的功耗下安全、可靠地运行。上述的AMBA总线架构，是ARM公司设计的一种高性能嵌入式系统总线的标准，因其具有的高速度、低功耗等特点，故其在SOC设计中已被广泛采用，典型的基于AMBA架构的SOC核心部分如图1。
由图1中可看出，AMBA规范中定义了两种不同类型的总线：先进的高速总线（AHB）、先进的系统总线 （ASB）和先进的外围总线（APB）。其中AHB适用于高性能和高时钟频率的系统模块，主要用于高性能和高吞吐量设备之间的连接，如片上存储器、DSP、直接存储器访问（OMA）、高速片外存储器控制器（该部件用于连接片外存储器Flash和SRAM）等设备；ASB和AHB属同一功能类型总线，只不过AHB总线是ASB总线的升级版，增强了对性能、综合及时序验证的支持；APB总线主要用于连接低速、低带宽的外围器件，如集成电路总线（IIC）接口、计数器（Timer），通用输入输出（GPIO）、通用异步收发器（UART）等。下文将以此架构，进行SOC设计。

2 系统设计
2.1 SOC设计流程
采用Aetel公司的Libero IDE 8.6集成开发环境，设计基于ARM7的SOC.SOC包括硬件和软件设计两部分，在硬件设计中，一般将系统经行分模块设计，之后针对各模块功能，逐个进行功能验证，待各模块功能准确后，依据总线架构，组成要设计的目标系统，最后通过软硬件协同调试，证明系统功能的完备性。其SOC设计的主要流程如图2。
在图2显示的SOC设计流程中，若要设计一个模块或系统，首先对其进行功能/需求分析，下来针对虚线 框内的步骤， 其中步骤HDL-Editor,User-Testbeneh.ModelsimSimulator,可用于模块的设计、功能仿真，若再增加步骤Synthesis,Compile,Layout,Programming Genetation,可对所设计的模块进行实际验证，待各模块功能验证准确后，就可以依据指定的互连结构组成系统，然后结合相应的软件代码，进行系统功能调试、验证。


2.2 SoC设计搭建
本文采用在Libero IDE 8.6集成开发环境中内嵌的Coreconsole软件8,搭建基于ARM7的SOC系统，搭建的系统如图3所示。


如图3所示，在Coreeonsole环境中搭建的系统，包括总线，微处理器，外围器件，以及驱动和顶层端口，其中1）CoreMP7:32/16位精简指令集架构处理器、支持32位ARM指令和16位Thumb指令、三级流水线，32位即4G寻址范围等；2）CoreMP7Bridge:桥接器，连接CoreMP7 和CoreAHB,它将CoreMP7处理器发出的信号转换成一个适合AHB总线连接的信号，且包含一组联合测试行动小组（JTAG）信号接口，JTAG接口用于下载程序和软件调试。3）CoreAHBLite:先进的高速总线，一般连接DMA、DSP、SRAM等设备。包含16个AHB从器件节点，每个从器件依次占有256MB地址空间，在本设计中，片外的Flash和SRAM分别连接在节点0和节点1上。2.1部分中用到的片外Flash就是通过外部存储器接口连接在节点0上，故其基地址是Ox00000000;4）CoreMemCtrl:外部存储器控制器，用于连接片上系统与外部寄存器，如对片外Flash、SRAM进行读写访问；5）CoreAHBtoAPB:桥接器。连接CoreAHB和CoreAPB;6）CoreAPB:先进的外围总线，一般连接UART、GPIO、IIC等外设。包含16个APB从器件节点，每个从器件依次占有16MB地址空间，地址计算公式是：物理地址=基地址+偏移地址。7）驱动和顶层端口包括：16 MHz系统时钟SYSCLK;系统低电平复位端口NSYSRESET,程序下载和调试端口JTAG,外部存储器连接端口ExtemalMomopyInterthce,串口通信接口等，图中底色为灰色的是一般的输入输出（PIO）模块，该模块的设计和验证将在3.2部分详细说明。至此，文中介绍了基于AMBA总线架构的SOC中涉及到的时钟、复位、总线、微处理器、外部存储器及外围输入输出端口，即最小系统框架，在图3中清晰地确定了SOC系统的互连结构，实现了各模块之间的通信功能。
3 实际验证
下面将对所搭建的SOC系统进行验证，通过对系统翻译、编译、综合、分配管脚、生成下载文件，最后将下载文件烧写到FPGA片中。为验证该系统的准确性，本设计采用两种方法对其进行测试验证，详细过程见3.1和3.2部分。
3.1 搭建的系统对片外Flash的擦写操作
本测试主要是在已经搭建好的SOC系统的基础上，在外部存储器控制器接口连接外部存储器Flash，通过能否对Flash进行正常的擦写操作来验证系统的准确性，测试选用的片外Flash芯片型号Numonyx公司是28F640J3D,它是64M的16位只读存储器，分配的基地址是Ox00000000，由于该芯片16位模式的访问特性，地址线0位拉低不予链接，其余地址线管脚依次连接到顶层外部寄存器控制器的地址端口。
FS2是一款集合了大量指令和可用软件、用以调试基于ARM的SOC系统内核的工具，利用该工具对片外Flash进行配置和擦写操作，来验证系统的准确性。测试首先对片外Flash进行配置，进而对指定存储空间进行擦除操作，然后对该存储空间进行写操作，最后观察此存储空间中的数据，具体过程如图4所示。
在图4中显示的是FS2工具的用户界面，设计中用到的八条指令，分别是：1>、2>、3>……8>,其中指令1>、2>用来配置片外Flash芯片；指令3>用来选择将要擦写的存储空间，由图中可知，本设计中要进行的读写操作 的存储空间是Ox00000000-0x003FFFFF;指令4>用来对Flash指定的存储空间进行擦除操作；指令5>用来把已经准备好的二进制文件写到上述存储空间中，设计中使用的二进制文件名是QUICK.HEX;指令6>是用来显示指定存储空间中的内容，从图中可看出，写到存储空间Ox00000000-0x0000003F的内容是18、FO、9F……、12、E3;指令7>执行对上述存储空间写入的数据的擦除操作；指令8>显示上述存储单元擦除后的内容。

通过对上述过程的分析可知，所搭建的SOC系统可准确实现片外Flash的擦写操作，进而说明了该系统的准确性。
3.2 搭建的系统对外设接口的读写操作
本测试在遵循ARM7先进外围总线APB的读写时序的前提下，定制用户逻辑外设PIO,通过该系统对PIO接口进行读写操作来进一步验证设计的准确，验证中的用到的APB总线的读写时序如图5。

下面将主要遵循系统中先进的外围总线APB的读写时序，首先采用硬件描述语言和C代码，定制八位的用户逻辑外设PIO,然后将PIO的输入端口接到开关Switch0一Switch7,输出端口接到八个发光二极管Led0一Led7,通过软硬件调试，使八位开关的输入电平显示到八个发光二极管上，以此来进一步验证设计中搭建的SOC系统的准确，针对上述过程及要求，为了更直观地展示验证结果，制作了简单的实验板，当开关键在高电平时，发光二极管变亮，否则，发光二极管不亮。其中定制用户逻辑外设的主要步骤如下：
1）规划元件的硬件功能；
2）使用硬件描述来描述硬件逻辑；
3）单独验证元件的硬件功能；
4）描述寄存器的C头文件来为软件定义硬件寄存器映像；
5）将元件集成到ARM7系统中，使用ARM7来测试寄存器的访问是否正确，并为该元件编写软件驱动；
6）执行系统级的验证等。


由图6显示的调试结果可知，八位开关Switeh0-Switeh7的输入分别是11001011和11100101,这个和八个发光二极管Led0-Led7的输出结果一致，由此进一步验证了设计的准确性。
4 结束语
本文通过对基于ARM7的SOC系统的设计，介绍了一种Flash结构的FPGA器件及其片上系统的设计方法，进而给出了两种验证该片上系统准确性的方法，通过实际验证，该系统不仅能准确进行片外存储器的擦写，而且可以准确进行外设接口的读写的操作，由此验证了设计的准确性。文中所搭建SOC系统，可以与符合ARM公司的AHB2.0协议的北斗基带芯片无缝连接，在北斗接收机的设计、测试中有重要的参考价值。

                  

基于FPGA的SOC设计与实现