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基于基于FPGA的的SOC设计与实现设计与实现
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。
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
著的特点就是将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。
图1 AMBA架构的SOC核心部分
2 系统设计系统设计
2..1 SOC设计流程设计流程
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。
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