高速实时控制SoC的设计与研究

　　1、 引言

　　SoC技术是目前微电子领域研究的一个热点，以超深亚微米工艺和IP核复用为基础，一般由以下几部分组成：微处理器、存储器和逻辑部分。在使用SoC技术的应用系统中可以很方便的实现嵌入式结构，当要实现嵌入式结构时，只需根据系统需要选择相应的内核，在选择合适的IP模块即可，嵌入式结构可以极大的缩短系统设计的时间。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器是一种可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器，且对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度[1]。

　　在实时控制实现方面研究的匮乏，使控制和电子设计方面的技术脱节，从而不得不用DSP 和通用微处理器来执行控制算法，尽管在许多情况下巨大的计算量会限制采样率的提高，既而使得工程师们手工写的程序更像汇编语言。我们研究的焦点是数值方面的问题，它是由于操作转换时的高采样率引起的。

　　现代控制系统的功能不仅仅只执行控制命令这么简单，还要能进行信号处理、有标准的通信通道和更高级的控制技术等等。因此，布置设计电路物理空间的不断减少使之嵌入在单个芯片上成为可能。结果，随着新的控制方法的需要出现了全新的SoC技术。

　　本文研究的是用于实时控制系统的SoC技术，它代表了硬件控制协同设计、完全优化和代码自动生成器的最新技术，该技术是基于新一代FPGA的嵌入式设计，包括控制技术这样的新概念和用标准总线进行通信的专用IP核。

　　2、SoC的设计和结构

　　设计一个全新的SoC没有现成的标准规则可遵循，SoC仅是将系统功能嵌入在单个芯片之中。目前ASIC和FPGA能达到的门密度为设计人员提供了足够的逻辑门/管子，从而能够在单个芯片上执行各种不同的功能，这可能是一种新设计技术，尤其对于那些空间和性能同样重要的嵌入式系统而言，但对于排除/修改/升级来说，它也可能是一种不可复用的、复杂的方法。为了尽量避免这些问题，在设计电路时必须遵循一种工业标准，该标准将使维护和升级变得更容易[2`3]。

　　对多数高性能嵌入式实时控制系统来说，本文研究的是一种单芯片技术。为了使外围逻辑部件减少到最低限度，所有的数子电子器件都要集成在单个FPGA上。图1为SoC的结构图。

　　图1 SoC的结构图

　　该结构有一定的可伸缩性，将来可加入其他IP核。主要分为两部分，其中核心部分是控制部件，即控制单元和系统控制处理器，也是整个系统的核心，用来执行命令和管理所有的控制部件。该结构由在微控制器间通信的高级微控制器总线和控制系统组成。两个处理器同时运行使控制进程分为以下两部分：控制执行部分和自适应管理部分。控制执行部分将所有需要转换和采样传感器输入的任务集中起来，执行控制命令，并将计算结果返回系统，这些任务由CSP高速完成。该结构由逐次逼近转换器单元(SAC)和脉冲宽度调节器构成，通过让ADC尽可能的使用简单的运算放大器来减少所需的外围硬件，为DAC提供足够的滤波器。

　　当CPU并行执行控制命令时，自适应管理部分开始运行。CPU定期地监测存储在CSP中的控制状态变量，依靠这些数值计算出一系列新系数。XAM(扩充的自适应单元)是可选部分，用来减轻CPU的负担。只有当需要非常高的采样率时才激活和执行该单元。另外，CPU将运行C语言写的自适应算法[4]。

　　通信部分为系统提供它所需的各种支持功能，即用大多数系统都有的外围器件进行数据转换。该系统选用了UART核(串行通信)，这样做的主要目的在于，它要求有比较简单的硬件和软件，例如，外部器件或USB接口。另一个优点就是，实际上，每一个计算机都有一个UART核，以确保SoC有良好的传输特性，控制系统的特点是，状态变量(和其他相关的信息)通过通信端口进行实时的发送和监控。系统联锁装置由CPU控制，通过UART接收外部命令。图2为SoC内部结构，即系统的功能图。

　　图2 系统功能图

　　3、实时控制器

　　系统专用处理器是专门为嵌入式系统设计的，它能使控制命令以极高的采样率执行。因此，特别适合实时系统，它的运算结构基于改进的ǒ操作，降低了状态变量的数值精度(因此减少了计算时间)。这种新设计方法提出了一种新的硬件结构，新增加了强大的功能(例如实时自适应和监控)，使对外围硬件的需求达到了最小[5]。

　　为了使SoC变得更有效率，已展开了一系列的专门研究，即通过执行工业标准总线接口及外部单元的通信协议(AMBA)使SoC更高效。这些特性使之更易于被通用目的微处理器控制，该处理器使系统更稳定和易于扩展，并允许高级功能与控制命令并行执行。通过在内核上集成DAC和ADC逻辑，也能够增强数据的采集能力。

　　CSP目前使用标准的32位定长RISC协

　　定指令，同时也规定了每条指令的格式(长度和参数个数)，使译码和执行变得更快更容易。所有指令都是单周期的。每个指令被分为5个不同的部分。第一部分对所有指令都一样，为操作码(3位)，指令进行自我编码。后面四部分长度为7位，每一个都存储了所需的全部不同变量，最后一位空着未用，留着将来使用。

　　4、SoC软/硬协同设计的方法

　　软硬件协同设计很早就出现了，但早期的协同设计主要是根据硬件开发出相应的软件或根据软件设计出具体的硬件结构。从这两点来看，一方面软件性能的好坏不但与软件设计人员的水平有关，还与硬件紧密相关;另一方面是关于软件固化的问题，可以采用相应的硬件处理器，将编写的程序存储于存储器中，这样设计的好处是可以更快的设计出芯片。

　　软/硬件协同设计是系统软件和硬件部分协同设计的过程，包括建模、协同仿真、软/硬件划分等等。SoC中核心模块主要包括CPU、数字信号处理器、控制系统处理器和通用异步收发器等部件，所以，有效而合理的划分系统功能以及实现软/硬件间信号传输是非常重要的。图3为软/硬件协同设计 流程。

　　图3 软/硬件协同设计流程

　　软硬件协同设计解决了把软件和硬件分开设计所带来的种种弊端，使系统能高效的工作。为了达到软/硬件协同设计的目的，在运行前验证控制器的性能，基于MATLAB结构自动生成了设计所需的所有步骤，对SOC进行了仿真[6`7]。

　　5、 结束语

　　本文中的研究工作主要针对复杂的嵌入

　　式实时控制体统的单芯片设计方法，指出了一些结构到目前为止的发展现状。另外，通过协同设计可以充分利用现有软硬件模块，能够大大缩短系统的开发周期。