（检测技术与自动化装置专业论文）8086单芯片计算机vga控制器的研究与设计.pdf

8 0 8 6 单芯片计算机v g a 控制器的研究与设计 摘要 单芯片计算机c o c 将传统p c 机主板上的全部芯片最大限度地集成到单颗芯片 中，使其重量、体积和功耗大幅下降，而性能得到很大改善。本文围绕基于8 0 8 6c p u 的单芯片计算机开发项目开展研究工作，探讨了v g a 行场同步时序的参数化设计 和基本图像处理方法，设计了一款分辨率和像素色深可配置的y g a 图像显示 控制器，采用a m b a 规范中的a h b 总线将其集成到基于8 0 8 6c p u 的单芯片 计算机系统中，构成一个完整的v g a 图像显示系统，并对该系统进行了功能 仿真和f p g a 原型验证。 论文的主要研究工作和成果如下： 1 设计了面向8 0 8 6 单芯片计算机的v g a 图像显示控制器。 2 设计了8 0 8 6c p u 与v g a 控制器之间的接口，通过a m b a a h b 总线实 现了v g a 控制器与8 0 8 6c o c 相集成，构成个完整的v g a 图像显示 系统。 3 搭建了8 0 8 6 单芯片计算机仿真验证实验平台，并在其上完成了v g a 图像显示系统的r t l 级仿真； 4 基于上述8 0 8 6 单芯片计算机实验平台设计了v g a 图像显示系统的验 证方案，在a l t e r ad e 2 开发板上完成了v g a 图像显示系统的f p g a 原 型验证。 f p g a 硬件验证结果表明，本设计可以实现实现多种不同分辨率的黑白、 伪彩色、高彩色和真彩色b m p 图像实时显示，达到替代v g a 专用芯片的效果。 关键词：v g a ，单芯片计算机，8 0 8 6c p u ，f p g a r e s e a r c ha n dd e s i g no fav g ac o n t r o l l e rf o r8 0 8 6c p u b a s e d c o m p u t e r - o n - a - c h i p a b s t r a c t c o m p u t e r - o n - a - c h i p ( c o c ) i n t e g r a t e si c sw h i c hd i s t r i b u t e do nt h ep e r s o n a l c o m p u t e r r n a i n b o a r di n t oo i l e c h i p a sm a n ya s p o s s i b l e ，f e a t u r i n g b e t t e r p e r f o r m a n c e ，l i g h t e rw e i g h t ，s m a l l e rv o l u m ea n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n b a s e d o nt h ep r o j e c to ft h e8 0 8 6c p ub a s e dc o c ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sar e s o l u t i o n a n dc o l o rd e p t hc o n f i g u r a b l ev g ac o n t r o l l e r , a n di n t e g r a t e st h i sv g ac o n t r o l l e r w t i ht h e8 0 8 6c p ub a s e dc o ct om a k eu pac o m p l e t ed i s p l a ys y s t e mb ya m b a a h bb u s ，t h e n ，t h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h i sd i s p l a ys y s t e mi s p e r f o r m e do nt h e8 0 8 6c o cp l a t f o r m ， t h em a i nw o r k sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p i n ga nv g a c o n t r o l l e rw h i c hi sw o r k i n gw i t h8 0 8 6c p ut o g e t h e r 2 d e v e l o p i n ga l li n t e r f a c eb e t w e e n8 0 8 6c p ua n dv g ac o n t r o l l e r , m a k i n g u pac o m p l e t ed i s p l a ys y s t e mb yu s i n ga m b aa h b b u st oc o n n e c tt h e v g ac o n t r o l l e ra n dt h e8 0 8 6c p ub a s e dc o c 3 b u i l d i n g a n8 0 8 6c o cs i m u l a t i o n p l a t f o r m ，c o m p l e t i n g r t l l e v e l s i m u l a t i o no ft h i sd i s p l a ys y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r m 4 c o m p l e t i n gf p g ap r o t o t y p ev e r i f i c a t i o n o ft h i s d i s p l a ys y s t e mo nt h e a l t e r ad e 2e v a l u a t i o nb o a r d t h er e s u l to ff p g at e s ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t t h i sd i s p l a ys y s t e m c a ns u p p o r tb m pi m a g e sr a n g ef r o mb l a c ka n dw h i t eu pt o2 4 一b i tt r u ec o l o rb y c o n f i g u r i n gs o m er e g i s t e r s t h ev g a c o n t r o l l e rc a nb eu s e dt or e p l a c ev g a c h i p s i nt h ea c t u a l i n t e g r a t e ds y s t e m k e yw o r d s ：v g a ，c o m p u t e r - o n a c h i p ，8 0 8 6c p u ，f p g a i i 插图清单 图1 1单芯片计算机芯片级架构设想框图2 图2 18 0 8 6 单芯片计算机系统结构。 8 图2 2 8 0 8 6c o c 系统外特性框图8 图2 3 8 0 8 6c p u 结构框图1 0 图2 48 0 8 6c p u 读总线周期时序图1 1 图2 5 8 0 8 6c p u 写总线周期时序图1 2 图2 - 68 0 8 6c p u 中断应答时序图1 2 图2 7 8 0 8 6c p uh a l t 时序图1 3 图2 8a h b 总线互连结构图1 3 图2 9a h b 总线基本传输过程1 4 图2 1 0a h b 总线带有等待状态的传输过程1 5 图2 1 la h b 总线上的传输类型一1 6 图2 1 2a h b 总线的r e t r y 响应时序1 7 图2 1 3a h b 总线的e r r o r 响应时序。1 8 图2 1 4a h b 从设备接口信号1 9 图2 1 5 8 0 8 6c o c 图像显示系统结构框图1 9 图2 1 6s r a m 内部功能模块框图2 0 图2 1 7s r a m 读周期时序图2 1 图2 1 8 s r a m 写周期时序图一2 2 图2 1 9视频d a c 工作原理图2 4 图2 2 0d s u b 接口公、母插座2 5 图2 2 l 典型的集成电路设计流程一2 6 图3 1v g a 图像显示系统结构框图2 8 图3 。2参数配置模块框图2 9 图3 3行同步时序图3 5 图3 4 场同步时序图一3 6 图3 5行同步时序控制状态转移图3 7 图3 - 6场同步时序控制状态转移图3 7 图3 7数据获取模块框图3 8 图3 8v r a m 仲裁子模块接口信号3 9 图3 - 9同步f i f o 结构框图4 0 图3 1 0v g a 控制器数据流向图4 2 图3 1 1 色彩发生器状态转换图一4 3 图3 1 2异步f i f o 结构框图4 6 图3 1 3异步空满信号的同步4 7 v i 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 仿真验证测试平台4 8 参考模块测试方法4 9 4 0 x 4 0 x 3 2 真彩色颜色数据处理结果仿真波形图5 2 4 0 x 4 0 x 2 4 真彩色颜色数据处理结果仿真波形图5 2 4 0 x 4 0 x 1 6 高彩色颜色数据处理结果仿真波形图5 3 4 0 x 4 0 x 8 灰度图颜色数据处理结果仿真波形图5 3 4 0 x 4 0 x 8 伪彩色颜色数据处理结果仿真波形图一5 3 软硬件协同验证平台结构5 4 d e 2 验证平台：5 5 d e 2 验证平台模块图5 5 f p g a 验证流程5 6 a n a l y s i s & s y n t h e s i s 结果5 7 f i t t e r 结果5 8 f p g a 验证部分效果图5 9 v i i 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 1 0 表3 1 1 表4 1 表4 2 表格清单 8 0 8 6c o c 系统端口信号功能9 a h b 总线传输类型一1 5 a h b 从设备接口信号功能描述1 8 s r a m 信号定义：2 0 s r a m 真值表2 1 v g a 色彩模式2 3 d s u b 接口信号定义2 5 v g a 控制器内部寄存器列表3 0 控制寄存器3 0 状态寄存器3 2 水平时序参数寄存器3 2 垂直时序参数寄存器3 3 水平宽度和垂直高度寄存器3 3 显示存储器首地址寄存器3 4 行同步时序要求3 5 场同步时序要求3 5 图像数据缓冲f i f o 中的数据存放格式4 5 不同显示模式下色彩发生器的数据处理结果4 5 时序参数对比5 4 c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 器件可利用资源列表5 6 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太兰 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金匿王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 唧曼啦 签字日期： 砂沙、。坼 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：沙知。懈可 电话： 邮编： 致谢 本文是在高明伦教授、倪伟老师的悉心指导下完成的。高老师不仅是一位 爱国爱校、学识渊博的学者，而且是位待人诚恳、平易近人的慈爱长者。高 老师认真严谨的工作作风和甘为人梯的崇高品德给了我深刻的影响，是我永远 学习的榜样；倪伟老师不仅在项目实践、论文选题、审核修改等方面给予我精 心指导和无私帮助，在思想、生活方面也给予了我无微不至的关怀。衷心感谢 导师的培养、教诲和支持! 感谢在百忙之中抽出时间评审论文和出席答辩的各位专家学者，感谢你们 为审阅和评议本文所付出的辛勤劳动。 感谢合肥工业大学微电子设计研究所的林微老师、邓红辉老师、宋宇鲲老 师、张多利老师、贾靖华老师在学习和生活上给予的支持和帮助。感谢尹勇生 老师、杜高明老师、王晓蕾老师、王锐老师、耿罗锋博士在课程中的指导。感 谢范阿姨、木子一、胡剑在实验室日常事务中的辛勤劳动。 感谢项目组中孙璐、舒展、陶晶、张永志等师兄师姐的热情帮助和杨骏、 果鹏的愉快合作。 感谢微电子设计研究所所有同仁陪我度过两年半的美好时光。 感谢我的家人，在我不如意的时候给我安慰和鼓励，在我取得成绩的时候 与我分享快乐和喜悦。对你们的倾情付出和深切爱意我不敢轻以言谢，只能默 默告诫自己，在今后的学习和工作中要更加努力! 感谢文中引用过文献的所有作者们，感谢所有关爱我的人们! i i i 作者：邓惠娟 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 本章介绍课题的研究背景、研究内容、研究意义和论文的结构安排。本文 研究基于8 0 8 6c p u 的单芯片计算机( c o m p u t e r o n a c h i p ，c o c ) v g a 图像显 示系统的设计技术和验证技术。 1 1课题研究背景 1 1 1单芯片计算机研究背景 随着科技的发展，电子计算机的应用已经渗透到社会的各个领域。计算机 技术的每一次进步都给人类生产生活水平带来极大提高。而集成电路( i c ， i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业的发展则是推动计算机技术不断进步的重要因素之一。 从1 9 4 7 年诞生的第一支半导体晶体管，到1 9 5 8 年发明的第一块基于硅平面 工艺的硅集成电路，直至目前正在迅速发展的s o c ( s y s t e m o n a c h i p ，片上系 统) ，集成电路的发展一直遵循摩尔定律推进。集成电路制造工艺己从“微米级”、 “亚微米级”、“深亚微米级”进入到“纳米级”加工水平【l 】。目前4 5 n m 已是量 产技术，3 2 n m 已成功开发并推出产品，2 2 n m 将是下一个开发目标。根据i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，国际半导体技术发展路 线) 2 0 0 9 年的预测报告，至u 2 0 1 2 年，高性能m p u 芯片能够集成4 4 亿个晶体管， 量产a s i c 芯片能集成2 0 6 亿个晶体管【2 】。随着集成电路工艺水平和集成度的不 断提高，在单一芯片上就可以实现一个复杂的电子系统。正是由于信息市场的 需求牵引和微电子技术的不断发展，出现了将整个系统集成在一个集成电路芯 片上的系统芯片s o c 。 集成电路几十年来的发展表明“更小、更快、更便宜”这个人们一直追求 的目标在新世纪中不仅仍然有效，而且随着经济的发展变得更加紧迫。目前， 芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为自己的发展方向，纳米效应理论及 i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ) 核技术越来越受到理论界和工业界的广泛关注。各类 电子产品越来越多地采用s o c 技术，无论是电视机、摄像机等消费类产品还是 手机、网络设备等通信类产品，其核心部分都开始采用s o c 芯片来实现产品的 主要功能，追求体积更小、速度更快、成本更低。 得益于集成电路产业的迅猛发展，计算机系统内各主要芯片的集成度也在 不断地提高。计算机的发展历程包括电子管计算机、晶体管计算机、集成电路 计算机和大规模以及超大规模集成电路计算机等阶段，它的发展规律一直是将 越来越多的功能集成在越来越小的空间内。可以预见，在某些特定领域，集成 电路芯片朝着整合型单芯片系统的总体趋势将会日益明显【3 1 。单芯片计算机 c o c 便是在此设计思想指导下产生的。c o c 是指将传统p c 机主板上的c p u 、芯 片组、内存、显卡、声卡和网卡等芯片最大限度地集成到单个芯片中所构成的 一个完整的计算机系统。如图1 1 所示。 c o c 系统 存储器系统 c p u r 。m l 网 s 叫 s 一 总线系统 d m a 中断i 显示 j 音频 u s b 控制器i 控制器 控制器i l 控制器 u a r t 计效足时器 键盘鼠标控制器 e t h e m e t 系统功能单元其他外设 通讯外设 图1 - l单芯片计算机芯片级架构设想框图 传统计算机采用基于主板的系统设计方案。外部设备控制器通常被制成独 立的芯片焊接在主板或相关接口卡上。各芯片通过主板上的i s a ( i n d u s t r i a l s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准架构) 、p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ， 周边元件扩展接口) 或a g p ( a c c e l e r a t e dg r a p h i c sp o r t ，加速图形接口) 等系 统总线进行信息传输【4 。而c o c 系统则通过系统总线将主板上分立模块最大限 度地集成于单一芯片中。相对于传统计算机，单芯片计算机的主要优势为：系 统分布电容大幅减小，因而时钟频率和总体性能均能得到大幅提升，整体功耗 也会随之降低。而焊点和触点的减少，则会使系统稳定性得到显著改善。 1 1 2 计算机显示技术 作为人机接1 ：3 的重要环节，用户对计算机系统的图像显示性能不断提出更 高的要求。显示接口技术也随着计算机技术的发展不断地进步。目前计算机系 统中存在多种显示接口技术标准【5 】，主要分为以下几种： 1 v g a 接口 v g a ( v e d i og r a p h i c sa r r a y ，视频图形阵列) 最初是指i b m 公司于19 8 7 年随着一种新结构的个人计算机系统p s 2 一起推出的显示适配器。它把被制作 在p s 2 的主板上，而不再是个单独的插卡。v g a 由于具有接口简单、色彩 丰富、性能可靠、兼容性强等特点【6 】而迅速开始流行，各v g a 兼容产品厂商纷 纷在v g a 的基础上进行性能扩展，如提高显存容量使之能支持更高的分辨率 或者能够显示更丰富的颜色等。所有这些在性能上得到扩展的v g a 兼容产品 被统称为v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ，视频电子标准协会) 的s u p e rv g a 模式，简称s v g a t7 | 。该模式除兼容m d a 、c g a 、e g a 、v g a 显示方式外，还支持1 2 8 0 x1 0 2 4 分辨率、2 4 位真彩色、7 5 m h z 刷新频率的显 示模式。不管是v g a 还是s v g a ，使用的连线接口都是三排15 针的d 形插头， 2 称为d s u b 接口，用来传输模拟信号。由于目前的各种s v g a 产品与最初的 v g a 相比虽然在性能上得到了很大的提高，但是它们始终没有突破标准v g a 的体系结构，在技术上很难将s v g a 看作是不同于v g a 的新一代产品，所以 v g a 一般用来统称v g a 和s v g a 。有时候为以示区别，最初的v g a 被称为 标准v g a 。v g a 仍是目前应用最为广泛的显示接口标准。绝大多数的计算机 显卡和显示器都支持该接口i s 】。除此之外，一些液晶电视、投影仪和媒体播放 机等也都支持v g a 接口。 2 d v i 接口 d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，数字视频接口) 是1 9 9 9 年由s i l i c o ni m a g e 、 i n t e l 、c o m p a q 、i b m 、h p 、n e c 、f u j i t s u 等公司共同组成d d w g ( d i g i t a ld i s p l a y w o r k i n gg r o u p ，数字显示工作组) 推出的接口标准。d v i 接口以s i l i c o ni m a g e 公司的p a n a l l i n k 接口技术为基础，基于t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e d d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，最小化差分信号传输) 电子协议作为基本电气连接t g 。 t m d s 是一种微分信号机制，运用先进的编码算法将r 、g 、b 三基色中的每一 路8b i t 信号通过最小转换编码为包含行场同步信息、时钟信息、数据使能信号、 纠错信息等1 0b i t 数据，经d c 平衡后，采用差分信号通过串行连接传输数据。 一个d v i 显示系统包括一个传送器和一个接收器。显卡产生的数字信号由发送 器按照t m d s 协议编码后发送给接收器，经解码后送给数字显示设备。传送器 是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡 上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传 递到数字显示电路中。目前d v i 有d v i d 和d v i i 两种不同的接口形式。前 者只支持数字信号，后者则兼容模拟和数字信号。可通过转接头与普通v g a 接口相连。 3 h d m i 接口 2 0 0 2 年4 月，h i t a c h i 、p a n a s o n i cc o r p o r a t i o n 、p h i l i p s 、s o n y 、t h o m s o n 、 t o s h i b a 和s i l i c o ni m a g e 七家公司成立了h d m i ( h i g hd e f i n i t i o nm u l t i m e d i a i n t e r f a c e ，高清晰度多媒体接口) 组织，开始制定新的专用于数字视频音频的 传输标准。最初的h d m i1 0 规范于2 0 0 2 年1 2 月发布。h d m i 完全向后兼容 d v i ，与d v i 相比，h d m i 可以传输数字音频信号，并增加了对h d c p ( h i g h b a n d w i d t hd i g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n ，高带宽数字内容保护) 的支持， 同时提供了更好的d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，直接数字控制) 可选功能。2 0 0 6 年6 月发布的h d m i1 3 将旧版本所支持的最高2 4 b p p ( b i tp e rp i x e l ) 色深提 高到3 0 b p p 、3 6 b p p 和4 8 b p p ，还将单链接带宽提高到3 4 0 m h z ( 1 2 g b p s ) 以支 持将来h d 显示设备的需要【l 叫。2 0 0 9 年6 月公布的h d m i1 4 使用与h d m i1 3 不同的线缆，支持h d m ie t h e r n e tc h a n n e l ，传输数据的编解码方式可采用以太 网模式进行发送和传递，通过h d m i 连线实现网络连接的共享。 4 d i s p l a y p o r t 接口 d i s p l a y p o r t 是视频电子标准协会v e s a 针对数字高清视频音频应用推出的 一种串行数字接口j ，可以连接电脑和显示器，也可以连接电脑和家庭影院。 2 0 0 6 年5 月确定了1 o 版本标准，2 0 0 8 年1 月l1 日升级为1 1 a 版，并于2 0 0 9 年1 2 月2 2 日正式公布了1 2 版本。d i s p l a y p o r t1 2 支持高速双向数据传输，可 在标准d p 数据线内从向显示器传输u s b 数据或标准以太网数据；每个信道的 数据传输率达5 4 g b p s ，总带宽最高可达2 1 。6 g b p s ；支持全高清1 2 0 h z3 d 立体 显示、3 8 4 0 x 2l6 0 x 3 0 b p p 、4 k x 2 k 四倍全高清分辨率等；支持多流 ( m u l t i - s t r e a m i n g ) ，满足受保护内容播放和3 d 游戏等高性能应用的需求。 d i s p l a y p o r t 与h d m i 的根本区别在于，h d m i 最初是面向c r t 制定的规格，继 承了d v i 的核心技术t m d s ，本质上是对d v i 的扩展。d i s p l a y p o r t 则是面向 液晶显示器而开发，采用“微封包架构( m i c r o p a c k e ta r c h i t e c t u r e ) ”，视频内 容以封包方式传送，这一点同d v i 、h d m i 的即时、专线传输方式有着明显的 区别。 1 1 3单芯片计算机设计方法学 微电子工艺技术更新换代的同时，集成电路设计技术也在不断地提高。但 长期以来，集成电路设计能力一直落后于器件制造能力。集成电路工艺加工能 力以平均每年5 8 的速度提升，而设计效率每年的增长率约为2 0 2 1 【1 2 】。电 子产品不断向智能化、网络化、移动化方向的发展，对芯片系统的规模、性能、 产品生命周期等都提出了越来越高的要求，促使i c 设计方法和设计工具不断改 进。 i c 发展初期，设计是从器件的物理版图入手，以晶体管为基础手工搭建电 路，设计效率非常低。集成电路单元库( c e l l l i b ) 的出现，使得设计从器件级 进入逻辑级，以单元库为基础，设计规模也随之增大，极大地推动了i c 产业的 发展。随着工艺水平的提高，集成电路的规模越来越大，设计复杂度越来越高。 由于单元库中的单元较小，设计效率较低，以单元库为基础的设计技术已无法 满足要求。为了提高设计效率、缩短上市时间，复用以往的设计成果成为系统 芯片设计的必由之路。以可重用i p 核为基础的s o c 设计方法在这种条件下应 运而生。 对于s o c 设计来说，设计重用是缩短i c 设计周期的最好方式。而i p 不仅 可以反复使用，而且与传统的单元库相比，其知识含金量更高，规模更大【l3 1 。 基于1 p 重用技术进行系统设计时，设计者更关注的是如何进行系统功能的结构 划分，以及模块之间的接口标准，而不必关注模块内部的电路细节，从而极大 地节省了设计时间。集成一个可重用i p 模块的工作量是开发同一种单一用途模 块工作量的1 1 0 或更少。考虑到可重用i p 的价格是单一用途模块价格的2 3 4 倍，使用可重用i p 带来的利益可达不采用可重用i p 利益的3 5 倍【1 4 】。然而， 对于较大较复杂的s o c 系统，基于i p 重用的设计仍然存在需集成的i p 数目大、 类型繁多、各方提供的i p 核接口不一致等问题。基于平台的s o c 设计方法在 重用整个设计平台的基础上，通过增减个别模块来设计一种产品的系列芯片， 可减少设计验证工作量，缩短芯片开发时间，降低开发成本和风险。 基于平台的s o c 设计方法是近几年提出的一种面向系统集成、强调系统级 重用的新方法。其基本思想是为特定应用领域定义通用的设计模板，在此设计 模版中涵盖库、接口互连、软硬件系统结构等设计信息【巧】。平台是一种适用于 s o c 快速开发的高效设计环境，可以针对特定的产品应用，在同个平台上开 发一个产品的系列芯片。基于平台的设计方法最大限度的利用了i p 的特点，不 仅重用以往的设计结果，而且重用其设计流程，实现功能与结构分离、计算与 通信分离，即设计要素正交化【l6 。并且可以根据产品的设计目标在宏观上把握 复杂系统，对系统进行正确划分，并合理选择i p ，在建立设计平台的同时，也 提供了一个验证平台，从而推动硬件和软件的并行开发，因此这种方法也称为 软硬件协同设计方法。 在s o c 设计中，验证是最关键的环节，也是花费设计资源最多的地方。尤 其是功能验证( f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ) ，已成为s o c 设计和开发的瓶颈【l7 1 。一 个全面的验证过程，主要取决于测试模型的正确性、可重用i p 核的鲁棒性和验 证方案的流程【l 引。本文所研究的单芯片计算机可以看作是一个由众多i p 模块 组成的s o c 系统，其整个设计过程就是一个基于i p 重用的i p s o c 设计过程。 在单芯片计算机图像显示系统的设计过程中，验证包括i p 的单独验证和s o c 的集成验证两个主要阶段。 1 i p 单独验证 对单个i p 进行的验证即i p 单独验证，为此而建立的验证环境称为i p 单独 验证平台。i p 单独验证的关键是对i p 内部逻辑进行详细的功能验证以确保i p 的功能正确性i l 引。 当前i p 设计普遍采用自顶向下的设计验证方法。这种验证方法的起点是设 计系统规范。然后，根据设计规范对设计进行系统级建模，并搭建系统级验证 平台。设计对象在此验证平台上依次经过i 玎l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 级、 门级、物理级三个不同抽象层次的验证。 2 s o c 集成验证 对包含一个或多个i p 的片上系统进行的功能验证称为s o c 集成验证，为 此而建立的验证环境称为s o c 集成验证平台。s o c 集成验证不仅要完全验证每 个单一模块的功能，还要解决由于系统复杂性高、性能优化目标多、系统规模 庞大等因素给系统级测试与验证带来的困难，需要在系统层次上做软硬件协同 验证来保证整个s o c 芯片的功能得到充分验证。由于s o c 设计中使用的i p 核 是经过预先设计和验证的，s o c 集成验证的目标集中在i p 接口、i p 间的互连 以及整个s o c 的行为和功能上f 2 0 1 。 1 2 课题研究内容 论文研究的主要内容为： 1 在研究了作为v g a 图像显示控制器设计载体的实验平台一一基于 8 0 8 6c p u 的单芯片计算机系统的基础上，采用自顶向下的数字集成电 路设计方法，设计v g a 图像显示控制器的整体架构及其内部结构中各 子模块； 2 通过a m b aa h b 总线实现v g a 图形显示控制器与8 0 8 6c p u 端口的 时序匹配，将v g a 控制器与8 0 8 6 单芯片计算机系统相集成，构成一 个完整的v g a 图像显示系统； 3 对所设计显示系统进行r t l 功能仿真和f p g a 原型验证。 1 3课题研究意义 图像显示系统的设计集成作为8 0 8 6 单芯片计算机项目的一个重要组成部 分，具有重要的研究意义。 1 开发面向8 0 8 6 单芯片计算机的图形显示系统是必要的 科学研究表明，人类信息传递主要通过语言，文字和图像三个渠道。而人 类从外界获得的信息有7 0 以上来自视觉系统，也就是从图像中获得。图像具 有确切、直观、具体、生动、真实和高效的特点。计算机作为一种高级工具， 它所完成的很多任务都是通过人机交互方式实现的。计算机的图像显示系统正 是构成人机交互系统的重要组成部分。因此，开发面向8 0 8 6 单芯片计算机的图 形显示系统是非常必要的。 2 为i p 软核设计提供实践经验 本课题按照自顶向下的设计方法，完成了v g a 显示系统从系统架构设计、 硬件语言描述、功能仿真测试、综合到f p g a 原型验证的全过程。设计过程中 积累了相关i p 设计经验，对今后的研究工作具有重要指导意义。 3 为进一步完善单芯片计算机系统奠定了基础 显示系统是单芯片计算机的重要组成部分。课题采用自上而下的方法设计 集成了v g a 控制器，并实现了f p g a 功能演示。研究设计过程中所积累的经 验和所反映出的关于单芯片计算机体系架构中各种待解决的问题，体现了理论 借鉴和自我实践相结合的设计方法，有相当的理论意义和实用价值，为后续相 关模块的设计和实验提供了硬件支持，也为今后设计更高档次的单芯片计算机 显示接口和进一步完善单芯片计算机系统奠定了基础。 6 1 4 论文结构安排 论文共分为五章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。本章介绍课题的研究背景、研究内容、研究意义和论文的 结构安排。说明论文基于8 0 8 6 单芯片计算机的设计与验证平台，设计了面向 8 0 8 6 单芯片计算机的v g a 图像显示系统，并进行了仿真与验证。 第二章8 0 8 6 单芯片计算机实验平台。本章主要介绍作为v g a 图像显示 控制器设计载体的实验平台一一基于8 0 8 6c p u 的单芯片计算机系统，及其中 与显示接口相关的各主要功能单元如8 0 8 6c p u 、a h b 系统总线、s r a m 显示 存储器、v g a 图像显示控制器、r a md a c 、d s u b 接口等。并介绍图像显示 系统的设计流程。 第三章8 0 8 6 单芯片计算机v g a 图形显示系统的设计。本章具体介绍基 于8 0 8 6 单芯片计算机系统的v g a 控制器i p 软核的系统级架构及其内部各个 功能模块的i 汀l 级代码的标准化设计。 第四章8 0 8 6 单芯片计算机v g a 图像显示系统的仿真及验证。本章详细 介绍v g a 图像显示系统的r t l 级仿真及f p g a 原型验证。 第五章总结与展望。本章总结论文的成果，指出当前研究工作中的不足 之处和需要进一步完善的地方，并介绍对将来的工作设想。 7 第二章8 0 8 6 单芯片计算机实验平台 本章介绍v o a 图像显示系统设计所采用的8 0 8 6 单芯片计算机实验平台， 及其中与显示接口相关的各主要功能模块，并简要介绍显示系统的设计流程。 2 18 0 8 6 单芯片计算机实验平台 基于8 0 8 6c p u 的单芯片计算机系统以8 0 8 6c p u 为核心，借鉴经典a m b a 总线架构，通过a h b 总线连接c p u 与高速设备如s d r a m 控制器、v g a 控制 器等，而低速i o 设备如s d 卡接口、p s 2 键盘控制器等则经由a p b ( a d v a n c e d p e r i p h e r a lb u s ) 总线与c p u 通信。其总体架构如图2 1 所示。 图2 - i8 0 8 6 单芯片计算机系统结构 图2 2 描述了8 0 8 6 单芯片计算机系统的外特性。 图2 - 28 0 8 6c o c 系统外特性框图 8 从图2 2 中可知，8 0 8 6 单芯片计算机系统有3 个输入引脚，5 9 个输出引脚， 18 个双向引脚，共计8 0 个外部信号。各端口信号的简要说明如表2 1 所示。 表2 一l 8 0 8 6c o c 系统端口信号功能 信号方向描述 c l k 输入外部输入的时钟( 2 5 m h z ) 系统信号 r e s e t 输入系统全局复位信号 s a 11 ：0 1 输出地址信号线 b a 【1 ：0 】 输出b a n k 地址线 c sn 输出片选信号 c k e 输出时钟有效信号 r a sn 输出行地址选通信号 s d r a m 信号 c a sn 输出列地址选通信号 w en 输出写信号使能 d q 【1 5 ：o 】 b l d i数据l o 线 d q m 1 ：0 】 输出数据掩码 s d rc l k 输出时钟信号 v g a r e d 9 ：0 1 输出红色像素信号 v g a g r e e n 9 ：0 】 输出绿色像素信号 v g a b l u e 9 ：0 输出蓝色像素信号 v g a 接口信号 v g a h s y n c 输出行同步信号 v g a v s y n c 输出场同步信号 v g a b l a n k 输出复合消隐信号 v g a c l o c k 输出时钟信号 p s 2 d a t a b i d i数据信号 键盘接口信号 p s 2 c l k b i d i时钟信号 s c l k 输出时钟信号 m i s o输入数据输入信号 s d 卡接口信号 m o s i 输出数据输出信号 s s 输出s d 卡片选信号线 2 1 1 8 0 8 6c p u 主机单元 8 0 8 6 单芯片计算机系统所采用的c p u 软核完全兼容标准i n t e l8 0 8 6 微处理 器的指令集【2 。8 0 8 6c p u 由指令执行单元( e u ，e x e c u t i o n u n i t ) 和总线接口 单元( b i u ，b u si n t e r f a c eu n i t ) 组成，如图2 3 所示。b i u 负责c p u 与存储器、 i o 接口之间的数据、地址、控制命令等信息交换。e u 负责从b i u 的指令队列 9 中取出指令并执行指令。 1 指令执行单元e u 指令执行单元包括e u 控制器、算术逻辑运算单元( a l u ，a r i t h m e t i cl o g i c u n i t ) 、标志寄存器、通用寄存器组4 个部件。e u 控制器负责从b i u 的指令队 列中去指令，并对指令译码，根据指令要求向e u 内部各部件发出控制命令以 完成各条指令的功能。a l u 可完成1 6 位或8 位的二进制运算。1 6 位暂存器用 来暂存参加运算的操作数。运算结果可通过内部总线送到通用