摘      要：針對片上系統(tǒng)(SoC) 開發(fā)周期較長和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 可重用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ARM7TDMI 處理器核的SoC 的FPGA 驗(yàn)證平臺，介紹了怎樣利用該平臺進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、IP核驗(yàn)證、底層硬件驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。使用該平臺通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，能夠加快SoC 系統(tǒng)的開發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展靈活、方便。

      關(guān)鍵詞：SoC；FPGA；軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)；驗(yàn)證平臺；ARM7TDMI

      引      言

      隨著片上系統(tǒng)(SoC) 設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和性能要求的不斷提高， 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)(Hardware/ Software Co2de2sign) 貫穿于SoC 設(shè)計(jì)的始終。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)以性能和實(shí)現(xiàn)成本為尺度的循環(huán)優(yōu)化過程，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是其中必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前大多數(shù)公司提供的開發(fā)驗(yàn)證系統(tǒng)(開發(fā)板) 存在兩個(gè)弱點(diǎn)：一是開發(fā)板的性能、規(guī)模難以根據(jù)特定的設(shè)計(jì)需求靈活、自由地調(diào)節(jié);二是開發(fā)板的功能大多數(shù)只能進(jìn)行軟件代碼的調(diào)試，即使ARM公司提供的開發(fā)平臺也只能調(diào)試部分硬件。這兩個(gè)弱點(diǎn)均在一定程度上限制了軟硬件劃分的探索空間，使所設(shè)計(jì)的SoC 不能獲得更佳結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的能力。

      本文利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 重用性好、現(xiàn)場靈活性好的優(yōu)勢，開發(fā)一個(gè)能進(jìn)行詳細(xì)的行為監(jiān)測和分析的實(shí)時(shí)運(yùn)行驗(yàn)證平臺，實(shí)現(xiàn)軟硬件的緊密和靈活耦合，從而克服上述結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，以全實(shí)時(shí)方式運(yùn)行協(xié)同設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的硬件代碼和軟件代碼，構(gòu)成一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行、可現(xiàn)場監(jiān)測的驗(yàn)證平臺。這樣，不但能夠提高SoC 流片成功率，加快SoC 的開發(fā)，而且可以降低整個(gè)SoC 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)成本。

      驗(yàn)證平臺的設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

      圖1 是我們設(shè)計(jì)的SoC 系統(tǒng)架構(gòu)， 選用了ARM7TDMI 處理器核， 它是一個(gè)RISC 體系的32 位CPU ，具有功耗低、性價(jià)比高、代碼密度高三大特色(ARM公司本身不生產(chǎn)芯片，普通用戶無法獲得ARM可綜合的CPU 核) ，包括AMBA 總線、DMA 控制器和Bridge 、(外部存儲器接口EMI) 、通用串行總線(USB) 客戶端控制器、液晶顯示器(LCD) 控制器、多媒體加速器(MMA) 、AC97 控制器、通用串口/ 紅外(UART/ IrDA) 、通用定時(shí)器/ 脈寬調(diào)制器(TIMER/ PWM) 、中斷控制器( INTC) 、同步外設(shè)接口(SPI) 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC/ WD) 、時(shí)鐘和功耗管理單元(PMU) 。

      圖2 是該SoC 驗(yàn)證平臺的結(jié)構(gòu)框圖，選用Altera公司的APEX20K1500E 作為驗(yàn)證SoC 用的FPGA ，該器件由一系列的MegaLAB 結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)包含一組邏輯陣列塊(LAB) 、一個(gè)嵌入式系統(tǒng)塊( ESB) 及一個(gè)在MegaLAB 結(jié)構(gòu)內(nèi)提供信號通道的MegaLAB 互連。在MegaLAB 結(jié)構(gòu)和I/ O 引腳間的信號布線通過Fast -Track 互連實(shí)現(xiàn)。另外，靠邊的LAB 能被I/ O 引腳通過局部互連驅(qū)動(dòng)。

      該器件有如下特點(diǎn)：具有多核結(jié)構(gòu)，支持可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC) ，密度高，專為低電壓應(yīng)用設(shè)計(jì)，多帶4 個(gè)鎖相環(huán)的時(shí)鐘管理電路，多達(dá)8路全局時(shí)鐘信號，每個(gè)I/ O 引腳具有獨(dú)特的三態(tài)輸出使能控制及可編程壓擺率控制[1 ，2 ] 。使用該器件作為AMBA 總線模塊、DMA 控制模塊、EMI 模塊、USB 模塊及LCD 控制模塊等多個(gè)IP 模塊的硬件載體， 與ARM7 TDMI處理器構(gòu)成了一個(gè)SoC的驗(yàn)證系統(tǒng)。

      圖2 中外圍電路的主要功能是驗(yàn)證SoC 中各個(gè)接口IP 模塊能否與ARM7TDMI 核、外部接口單元、硬件驅(qū)動(dòng)軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)高效地工作。由于接口(如USB 接口、UART/ IrDA 接口、SPI 和LCD 接口等) 電路結(jié)構(gòu)比較簡單，且很多資料都有介紹，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了注意通用的設(shè)計(jì)規(guī)則和印制電路板(PCB) 布局布線外，沒有特別的要求(總結(jié)構(gòu)框圖中所有外圍電路都在該開發(fā)驗(yàn)證系統(tǒng)中調(diào)試成功) ，同時(shí)，為了便于分析各個(gè)被驗(yàn)證的IP 模塊在任意時(shí)刻的狀態(tài)， 我們將APEX20K1500E 的大多數(shù)I/ O 引腳都引出到PCB 上，以方便SoC 開發(fā)人員使用邏輯分析儀進(jìn)行信號實(shí)時(shí)采集和分析，也可讓信號發(fā)生器產(chǎn)生一些特定信號通過以供系統(tǒng)調(diào)試使用。該開發(fā)系統(tǒng)在PCB 的設(shè)計(jì)時(shí)還特別注意了電磁干擾的屏蔽。       電路設(shè)計(jì) 

      電源的設(shè)計(jì) 

      擁有符合FPGA 要求的電壓對該驗(yàn)證環(huán)境的設(shè)計(jì)十分重要。根據(jù)SoC 的發(fā)展趨勢和APEX20K1500E增強(qiáng)型I/ O的特點(diǎn)，該平臺選用2 . 5V內(nèi)核電壓和3. 3 V 的I/ O 電壓，同時(shí)提供2. 5 V 和1. 8 V 可選電壓，以滿足SoC 更低電壓、更低功耗的發(fā)展要求，方便以后重復(fù)使用。

      時(shí)鐘信號電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路如圖3 所示。

      ARM7TDMI 核有2 個(gè)時(shí)鐘:存儲器時(shí)鐘MCLK 和內(nèi)部TCK產(chǎn)生的時(shí)鐘DCLK。在正常操作期間，內(nèi)核由MCLK 供給時(shí)鐘， 內(nèi)部邏輯保持DCLK 為低。當(dāng)ARM7TDMI 核處于調(diào)試狀態(tài)(nWAIT 必須為高) 時(shí)，內(nèi)核在TAP 狀態(tài)機(jī)控制下由DCLK供給時(shí)鐘，且MCLK可以自由運(yùn)行。所選時(shí)鐘在信號ECLK上輸出，以便外部系統(tǒng)使用。在監(jiān)控模式下，內(nèi)核由MCLK供給時(shí)鐘，且不使用DCLK。所以，首先應(yīng)供給存儲器時(shí)鐘MCLK。由于該系統(tǒng)除了擁有ARM7TDMI 核外，還包括電源管理模塊、復(fù)位管理模塊、狀態(tài)和控制寄存器等，應(yīng)當(dāng)額外供給時(shí)鐘MCLK1 和MCLK2。用以驗(yàn)證可復(fù)用IP 的芯片APEX20K，也需要提供至少2 個(gè)時(shí)鐘(FP2GA2CLK1 和FPGA2CLK2)；用做配置芯片的PLD 也需要提供一個(gè)時(shí)鐘(PLD2CLK) ；各個(gè)FPGA 和整個(gè)FPGA電路設(shè)計(jì)都采用全局時(shí)鐘控制方式，所有的時(shí)鐘都是由ICS525201 芯片產(chǎn)生，該芯片是一種可調(diào)時(shí)鐘芯片。

      式中：f i 為輸入頻率；v 為4～511 中的自然數(shù)；r 為0～127 中的自然數(shù)；OD 值由S[0 ，1 ，2 ]的3 位決定，S2S1S0的組合為：000 對應(yīng)十進(jìn)制10 ，001 對應(yīng)2 ，010 對應(yīng)8 ，011 對應(yīng)4 ，100 對應(yīng)5 ，101 對應(yīng)7 ，110 對應(yīng)9 ，111 對應(yīng)6。注意:時(shí)鐘電路的頻率調(diào)節(jié)終通過驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的配置，在FPGA 內(nèi)應(yīng)有相應(yīng)的配置寄存器，同樣，下面的復(fù)位控制模塊也應(yīng)有復(fù)位配置。

      復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 

      復(fù)位信號包括接口模塊中的外部硬件按鍵復(fù)位信號reset 、上電復(fù)位信號power on reset 、聯(lián)合測試訪問組(JTAG) 復(fù)位信號nTRST 和軟件調(diào)試復(fù)位信號nSRST。以上幾個(gè)信號都是必須的常用復(fù)位信號，但ARM7TDMI 核只提供了兩個(gè)復(fù)位信號接口reset 和nTRST ，為此，以上4 個(gè)信號必須加入適當(dāng)?shù)?a target="_blank">邏輯電路使其終形成2 個(gè)復(fù)位信號，復(fù)位信號通路必須滿足復(fù)位時(shí)序要求且與時(shí)鐘信號通路一樣越短越好。

      JTAG鏈的設(shè)計(jì) 

      通過ARM處理器內(nèi)的JTAG測試接口，可對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行探測和配置。使用Altera 公司的QUARTUSII軟件對APEX20K器件進(jìn)行配置時(shí)，JTAG鏈?zhǔn)瞧渲械囊粭l重要配置通路。因此，JTAG鏈的設(shè)計(jì)十分重要，其主要設(shè)計(jì)任務(wù)是對FPGA 內(nèi)的JTAG鏈與ARM 處理器內(nèi)的JTAG測試接口進(jìn)行匹配連接，形成一個(gè)統(tǒng)一的JTAG鏈，它主要包括TCK、RTCK、TDI、TDO 、TMS 和FPGA 配置成功(DONE) ，以及調(diào)試請求(DBGRQ) 應(yīng)答信號(DBGACK) 、系統(tǒng)復(fù)位(SRST) 和測試復(fù)位(TRST)等信號，其中時(shí)鐘信號TCK和RTCK通路應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得越短越好。至于使用JTAG模式對器件進(jìn)行編程和配置，可依據(jù)參考文獻(xiàn)[ 1 ]第5 章進(jìn)行設(shè)計(jì)。JTAG數(shù)據(jù)通路在配置和調(diào)試時(shí)各不相同，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇幾乎無導(dǎo)通電阻的多路選擇器對該信號作出合理的分配，對FPGA 器件進(jìn)行配置和調(diào)試時(shí)，JTAG數(shù)據(jù)通路分別如圖4、圖5 所示。 

      存儲器電路的設(shè)計(jì) 

      ARM7TDMI 核雖給出了存儲器接口信號，但這些信號對存儲器的訪問是單一有限、擴(kuò)展極為不方便的，不能適應(yīng)不同用戶對多種存儲器系統(tǒng)( Flash、NANDFlash、SRAM 和SDRAM) 的使用需求，所以大多數(shù)SoC都在片內(nèi)集成了存儲器控制器(我們開發(fā)的SoC 的片外存儲器控制器稱為EMI) ，所以該驗(yàn)證平臺上設(shè)計(jì)了以上4 種存儲器， 用以驗(yàn)證該EMI IP 核。由于ARM7TDMI 核除了可以實(shí)現(xiàn)32 位訪問存儲器的方式外，也可以支持16 位訪存方式，所以，通過在控制線上設(shè)置軟件可配置的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了3 種數(shù)據(jù)寬度的訪存方式，即8 位(byte) 、16 位(half word) 和32 位(word) 的訪存方式。

      驗(yàn)證平臺的調(diào)試和檢驗(yàn)

      當(dāng)該系統(tǒng)中的各個(gè)模塊在PCB 上調(diào)試成功后，該驗(yàn)證平臺能否很好地驗(yàn)證SoC 的IP 核的開發(fā)呢? 我們將已經(jīng)成熟的AMBA 總線IP 核的Verilog 代碼，通過Synplify 綜合，利用Altera 公司的QUARTUS Ⅱ軟件作布局布線，燒入APEX20K1500E ，再用同樣方式將新開發(fā)的EMI IP 核的Verilog 代碼燒入該FPGA(注意:在該過程中有很多綜合和布局布線技巧) ，將其中的SDRAM控制器作為驗(yàn)證示例，選取其中簡單的訪問方式，來驗(yàn)證該平臺能否使用。該驗(yàn)證平臺中使用的SDRAM型號為W981216BH26。上電后，首先要對所有內(nèi)存區(qū)(bank) 預(yù)充電，經(jīng)8 個(gè)自刷新周期后需要設(shè)置訪問模式，即編程模式寄存器。以上3 個(gè)過程要求如下：

      a) 預(yù)充電命令的發(fā)出要求:在時(shí)鐘周期的上升沿處CS、RAS、WE 為低，CAS 為高。

      b) 自刷新命令的發(fā)出要求:在時(shí)鐘周期的上升沿處CS、RAS、CAS 和CKE 保持低，WE 為高。

      c) 模式寄存器的激活:在時(shí)鐘的上升沿處RAS、CAS、CS 和WE 為低。

      剛開始時(shí)，外部端口根本不能出現(xiàn)有用的波形，通過AMBA 總線的一些控制線能夠正確地引出，從而排除了該驗(yàn)證平臺原理的正確性和PCB 上的硬件可靠性的疑問，再將內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的各個(gè)信號采出進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)得不能工作，經(jīng)過修改代碼后，重新采集端口信號如圖6所示。

       從圖6 中tr 線處的時(shí)序看出，上電后滿足預(yù)充電命令的要求，緊接著是8 個(gè)自刷新命令，是模式寄存器的設(shè)置，命令字為020H( 00100000B) ，即CASLatency 設(shè)置為2 個(gè)時(shí)鐘周期， Addressing Mode 為Sequential 模式， Burst Length 為1 個(gè)數(shù)據(jù)訪問模式，模式設(shè)置命令通過地址線a02a9 發(fā)出，如圖7 所示。

      將該SDRAM的地址映射成為從30000000 的地址空間開始的地址，利用SDRAM驅(qū)動(dòng)程序(協(xié)同調(diào)試時(shí)，應(yīng)通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行SDRAM 的讀寫) ， 向以30000000 開始的地址空間連續(xù)寫入300 個(gè)從數(shù)據(jù)0 遞增到299 的數(shù)，截取中間一段波形如圖8 所示。圖6～圖8 中各信號如下:clk 為同步時(shí)鐘，圖中是10 MHz ;cse 為EMI 的8 個(gè)片選信號之一，即SDRAM的片選信號cs；ras 和cas 為SDRAM 的控制信號；we 為SDRAM 的讀寫控制信號；bank021 為SDRAM 的4 個(gè)bank 選擇控制信號；sd10 為既是SDRAM 的控制信號又是地址信號a10；a0211 為不包括a10 的地址信號；dqm021 為字節(jié)選擇信號；d027 為低位數(shù)據(jù)線。

       寫命令應(yīng)當(dāng)滿足的時(shí)序要求是:在時(shí)鐘周期的上升沿處RAS 高，WE、CS、CAS 低;個(gè)要寫的數(shù)據(jù)必須與寫命令同時(shí)發(fā)出。從圖8 可以看出，確實(shí)能夠成功執(zhí)行寫操作訪問。注意: 在寫之前，必須將該bank激活，只有激活的bank 才能進(jìn)行讀寫，圖中的激活命令沒有顯示出來，同時(shí)，由于該訪問總共300 個(gè)地址完全在一個(gè)行內(nèi)，不用對其進(jìn)行行預(yù)充電和再激活(在一個(gè)已經(jīng)激活的bank 內(nèi)，讀寫不同的行就要求對該bank進(jìn)行預(yù)充電和再激活) 。

      通過圖6～圖8 ，還可以看出各種操作命令的建立時(shí)間Tsetup和保持時(shí)間Thold都設(shè)置得比較緊，幾乎剛好滿足。這種IP 核沒有給用戶留出足夠的余量，一旦用戶對PCB 的制作稍有不慎，在PCB 板級違反建立時(shí)間和保持時(shí)間極有可能，造成SDRAM 的不正確訪問，所以需要進(jìn)行檢查和修改。經(jīng)過前端人員的仿真驗(yàn)證，代碼中確實(shí)存在忽略建立時(shí)間和保持時(shí)間的問題，修改后重新在該平臺進(jìn)行驗(yàn)證，以上兩個(gè)時(shí)間都能很好地滿足，且有足夠的余量。另外，從圖中可以看出，數(shù)據(jù)線上有一些毛刺，這是由于FPGA 的I/ O 端口引腳對邏輯分析儀的接口沒有很好地分配造成的，重新分配FPGA 的I/ O 端口，絕大部分毛刺都能很好地消除。

      通過以上實(shí)驗(yàn)，說明該驗(yàn)證平臺確實(shí)能夠達(dá)到驗(yàn)證SOC IP 核的目的。要注意的是，當(dāng)要驗(yàn)證各個(gè)IP模塊(包括INT 中斷控制器、DMA 控制器、LCD 控制器和AC97 控制器等) 之間協(xié)同工作時(shí)，燒入的代碼較多，占用FPGA 資源較多，再加上需要實(shí)時(shí)運(yùn)行，例如，播放PM3 實(shí)時(shí)解碼過程中，時(shí)鐘至少要求60 MHz ，需要工作的IP 核有總線、DMA 控制器、INT 中斷控制器、AC97 控制器等，在這種情況下，使用Multi PointSynthesis 的綜合流程和Timing driven 的綜合與優(yōu)化策略，使用Logic-lock 約束技術(shù)和人工干預(yù)布局布線，才能達(dá)到預(yù)期目的。

      使用該平臺對我們開發(fā)的SoC 的各個(gè)模塊進(jìn)行了驗(yàn)證，并在10 MHz～70 MHz 條件下與代碼前(后) 仿真結(jié)果和SoC 實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見圖9?？梢钥闯?，該FPGA 驗(yàn)證平臺在多模塊、高速情況下，性能有所下降，需進(jìn)一步提高綜合和布局布線技術(shù)。 

      結(jié)束語

      本文提出了一種常用的基于ARM內(nèi)核SoC 的FPGA 驗(yàn)證環(huán)境的設(shè)計(jì)方法，并給出了電路結(jié)構(gòu)框圖和相應(yīng)的外圍電路設(shè)計(jì)。根據(jù)該設(shè)計(jì)， 在FPGA 內(nèi)實(shí)現(xiàn)AMBA 總線、存儲器接口和中斷控制器，加上外面的ARM處理器核，構(gòu)成了ARM SoC 的系統(tǒng)，根據(jù)具體目標(biāo)系統(tǒng)的需要，可以增加LCD 控制器、AC97 控制器、USB 控制器等模塊，構(gòu)成一個(gè)非常實(shí)用的驗(yàn)證平臺。在IP 核燒入后，可以使用ARM ADS(ARM Developer Suite) 軟件開發(fā)工具，在線對設(shè)計(jì)的硬件電路、硬件驅(qū)動(dòng)軟件、操作系統(tǒng)和高層應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)試，從而大大縮短了基于SoC 芯片的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。隨著FPGA 的飛速發(fā)展，用戶可以選用更加先進(jìn)和方便使用的FPGA ，還可選用內(nèi)嵌ARM 核的FPGA 芯片來構(gòu)建驗(yàn)證平臺。同時(shí)，該系統(tǒng)在電壓設(shè)計(jì)、模塊選用甚至處理器核的選用方面都考慮了升級擴(kuò)展技術(shù)，可供其他SoC 的驗(yàn)證借鑒。