SOPC設計中自定義IP的開發

防空兵指揮學院 張春生 宋 磊 張海瑞

SOPC設計中自定義IP的開發

防空兵指揮學院 張春生 宋 磊 張海瑞

近年來，隨著微電子工業的飛速發展，作為可編程邏輯器件之一的FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程邏輯門陣列）得到了越來越廣泛的應用，其設計性能和性價比已完全能夠與ASIC抗衡。SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統）技術正是在可編程邏輯器件的基礎上發展起來的一種靈活、高效的嵌入式系統解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS和UART等系統設計所需要的部件集成到一片FPGA器件上，各個部件一般都以IP核的形式構成一個可編程的片上系統，它所具有的靈活性、低成本等特點讓系統設計者獲益匪淺。

一、SOPC技術與IP核

1.IP核。SOPC的主要思想是提供1個IP庫，用戶從IP庫中選擇IP核來組裝系統，因此IP核是SOPC設計的關鍵技術之一。雖然IP核一詞在眾多場合中已被多次使用，但它并沒有一個統一的定義。IP核從概念上可以理解為將一些在數字電路中常用但比較復雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、UART控制器等設計成可修改參數的模塊，讓其他用戶可以直接調用這些模塊的組件，這樣就可以大大減輕工程師的負擔，避免了人員的重復勞動，也縮短了系統的開發時間。

2.SOPC技術與IP核。IP核設計一般可以有3種方法，即EDA廠商提供、用戶自己定義和第3方提供。一般來說，EDA廠商及第3方提供的IP核在功能上都是通用的，但是在進行SOC設計時，用戶經常有特殊需求，這時必須通過自定義邏輯來實現所需要的功能。所以在進行SOC設計時，如何靈活地加入用戶自定義邏輯就顯得尤為重要。

二、基于EDK的SOPC開發技術

1.常用的SOPC開發。在進行SOPC系統開發時，首先要做的是選擇FPGA平臺、處理器方案以及開發軟件，目前常用的是由世界上2大主要的FPGA器件生產廠商所提供SOPC方案及相關開發套件：一是Altera公司的FPGA產品，采用Nios處理器軟核或硬核ARM，開發工具由QuartusⅡ和SOPC Builder組成。二是Xilinx公司的FPGA產品，基于Microblaze軟核或Powerpc405硬核，開發工具由ISE和EDK組成。

2.基于EDK的SOPC開發過程。下面就以Xilinx公司的軟件EDK為例介紹SOPC系統的開發過程。EDK有一個友好的圖形用戶界面，通過這個界面，用戶可以從Xilinx提供的IP庫中選取一些組件，比如處理器、SDRAM、Flash、各種I/O等，并可通過選擇配置相應的參數。EDK有一個十分重要的功能就是在進行SOPC設計時，如果用戶有特殊功能需求，但IP庫中沒有，用戶可以加入自定義的邏輯來實現，SOPC的開發流程如圖1所示。

圖1 SOPC開發流程

三、自定義IP開發實例

1.系統開發設計要求。這里以1個在控制系統中常用的脈沖寬度調制電路（PWM）為實例，設計1個PWM用戶邏輯并利用EDK將它集成到SOPC系統中。我們事先假定FPGA中已經存在1個基于Microblaze的嵌入式系統中，在此前提下將PWM外設集成到OPB總線上，并進行功能驗證。PWM的具體設計要求如下：要求信號周期可調，脈沖的寬度可調，可以控制PWM的輸出使能，PWM直接通過1個FPGA管腳輸出。按照以上設計要求，我們設定PWM外設共有3個寄存器，分別為Clock_Divisor寄存器、Duty_Cycle寄存器和Control寄存器。

2.模塊功能設計。PWM外設的核心是1個計數器，由Clock_Divisor寄存器來控制計數周期，當計數器的計數值大于Clock_Divisor寄存器的設定值時，計數器清零；否則，在時鐘信號觸發下，輸出使能控制位為1時計數器進行加1計數。PWM模塊的輸出是計數器的計數值與Duty_Cycle比較的結果，當輸出使能有效并且計數值大于Duty_Cycle寄存器的值時，輸出為1。

3.模塊集成。在XPS集成開發環境中，集成了一個creat/ import peripheral向導工具，利用該向導工具就能輕松地創建或導入一個用戶自定義的外設。在向導中，我們只需確定與總線的接口是3個32位的寄存器即可，向導完成設計后，工程目錄（project）中會自動生成drivers和pcores這2個文件夾，這2個文件夾中包含了自定義外設的相關信息，drivers文件夾里以應用程序接口函數API的形式提供了自定義外設的驅動程序，從而完成了對外設的讀寫和測試，用戶在開發包含自定義外設的高層應用軟件時就可以直接調用這些接口函數。

4.外線與總線的接口描述。在pcores文件夾目錄下有3個文件比較重要，即user_logic、MPD和PAO文件。user_logic文件是集成工具生成的用戶模板文件，該文件中給出了OPB總線的接口信號，用戶只需根據接口信號的驅動要求，在用戶模板中就能完成模塊的功能設計。PWM外設與總線的接口描述如下所示：

5.功能驗證。在自定義外設集成到系統中后，通過調用仿真模型生成器（SimGen），生成仿真文件，然后利用Modelsim仿真軟件對系統進行仿真，通過仿真我們就能夠快速驗證自定義邏輯的功能是否正確，PWM外設仿真波形如圖2所示。

在圖2中，pwm_out是PWM的輸出信號，opb_abus、opb_dbus和opb_select分別是OPB總線的地址總線、數據總線和片選信號。我們在應用程序中對PWM的3個寄存器進行3次配置：第一次把占空比設置成1：1；第二次設置成2：1；最后將輸出使能關閉。