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）。[p]

控制电路（Control Circuit）是lcd_fct 的核心。它控制数据输入寄存器（Data_in Register）、数据输出寄存器（Data_out Register）、状态寄存器（State Register）、控制寄存器（Control Register）和时间常数寄存器（Time Constant Register）。控制电路根据指令标志和时序来操作不同的寄存器，实现lcd_fct 的管理和运行。

数据输入寄存器接受来自MP 的数据并根据需要送数据到数据输出寄存器。数据输出寄存器把数据通过数据线lcd_db 送到LCD 模块的数据总线上。这个数据既可能是要显示的数据，也可能是指令。

控制寄存器产生操作LCD 的控制信号，如LCD 中选信号（lcd_e）、LCD 内部寄存器选择信号（lcd_rs）和LCD 读写信号（lcd_r_w）。

状态寄存器在LCD 处于工作下，会产生LCD 繁忙信号（lcd_busy）。这意味着，LCD 此时不会接受其它指令。与其它信号不同，lcd_busy 是发送给MP 的。

实际上lcd_fct 的运行操作主要是对各种控制、状态和数据信号进行管理。

4 FPGA 设计和仿真

在 lcd_fct 的FPGA 设计中，主要采用的VHDL 语言的程序设计［7］、MAX Plus－II 仿真以及SOC 和LCD 的实际连接调试。lcd_fct 的HVDL 设计框架如下：
Library
Entity lcd_fct is
Port( );
End lcd_fct;
Architecture struct of lcd_fct is
Signal
Constant
Begin
Res: process;
Clk :clk_div;
LCD: process;
Begin
If init then
Initialization;
Elsif clr then
Clear LCD;
Elsif addr then
Write address to LCD RAM;
Elsif data then
Write data to LCD RAM;
End if;
End process;
Us: ustimer;
Ms: mstimer;
End struct;
LCD 控制器IP 模块lcd_fct 的仿真结果如图3 所示。在图中左侧的信号就是lcd_fct 的输入／
输出信号。

图 3 lcd_fct 的功能仿真

当把write_e 设置成高电平时，指令写入lcd_fct。对于读写控制信号lcd_r_w 来说，低电平为写操作，高电平为读操作。由于该仿真都是lcd_fct 对LCD 进行写操作，lcd_r_w 始终为低电平。图中通过addrin 的变化来代表不同的指令。

在addrin 等于7FFF 时，lcd_db 被赋值01。这意味着LCD 被清屏。当addrin 等于7FFE，且data_in 送入31 时，lcd_db 被赋值31，LCD 就会显示“1”。 Addrin 被设置成7FFD，且data_in 等于8 时，被显示的字符将出现在显示屏的第8 个字符的位置，实现了定位显示功能。

当addrin 被赋值7FFC 时，LCD 被初始化。初始化包括功能设置、关闭显示、打开显示、清屏、显示移位和工作方式设置等操作。

由此可见，只要在SOC 的MP 中加入适当的指令，可以对addrin 进行控制，SOC 就可以完成对LCD 的管理。由于本设计中SOC 的MP 是可重配置MP，添加或修改指令是不存在问题的。仿真表明，lcd_fct 的设计达到了设计目标，操作结果是令人满意的。一般的LCD 程序控制完成一项操作（如初始化）需要执行多条软件指令。用FPGA 设计的lcd_fct 只要一条指令就能完成相应的操作，而且是硬件运行，效率提高了许多倍。

5 结论

组件控制器的设计是SOC 设计的重要组成部分。采用FPGA 是完成组件控制器设计的有效手段。通过LCD 控制器的设计和仿真，说明基于FPGA 的组件控制器可以用一条指令完成原来许多条指令才能完成的操作，可以大大提高系统的运行效率。因此，这是一项有意义的工作。

本文作者创新点在于把FPGA 设计和SOC 的组件控制器联系起来，并通过一个具体例子介绍了如何设计单指令驱动的组件控制器。