（电路与系统专业论文）基于SoC的移动手写设备控制芯片的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着芯片集成度的飞速提高，集成电路的设计己经进入s o c 时代，而且基于i p 的设计也日渐成为主流。在s o c 设计中，微处理器必不可少，基于m c o r e 指令集的 c k - c o r e 作为一款成熟的嵌入式微处理器内核，已经广泛地应用于许多领域。 本文设计了移动手写设备的控制芯片，将触摸屏控制引入c k - c o r e 的s o c 设计， 扩展其应用。因为触摸屏由于其良好的交互性、易操作性正日益受到消费者的青睐和 工业界的重视。文中首先阐述了芯片功能和关键的技术要求，并根据设计需求，进行 了芯片的总体架构设计，整个芯片设计基于微处理器c k 5 2 0 和a m b a 2 0 总线。本文根 据触摸屏工作及其控制原理，设计了基于a m b a 总线的触摸屏控制器，并实现其数字接 1 2 部分。设计了其他片上设备，如存储器管理器、d m a 控制器、l c d 控制器、u s b 设备、 以太网控制器等，给出各模块硬件结构、工作原理和应用时的难点 将各模块集成为系统，然后搭建验证平台，编写测试案例验证各模块功能和系统 的连通性。在仿真测试验证系统逻辑功能正确后，进行逻辑综合，结果证明设计满足 时序要求。设计芯片功能也在f p g a 开发平台上通过了验证。 关键词：s o c 设计，触摸屏控制器，微处理器，a m b a 总线，系统验证 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sn o wt h ea g eo fs y s t e mo nc h i p ( s o c ) i ni n t e g r a t e dc i r c u i ti n d u s t r y 弱t h eq u i c k d e v e l o p m e n to fd e e ps u bm i c r o ns e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y a n dt h ed e s i g nb a s e do ni p s h a sb e c o m et h em a i ns t r e a m m i c r o p r o s s o ri sav e r yi m p o r t a n tm o d u l ei nt h es o cd e s i g n c k - c o r ew h i c hi sd e v e l o p e db a s e do nm c o r ei n s t r u c t i o ns e th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n m a n yf i e l d sa sa m a t u r ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rc o r e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g no fm o b i l eh a n d w r i t i n gc o n t r o lc h i pa n db r i n g s t h ec o n t r o l l e ro ft o u c hs c r e e ni n t ot h ec k - c o r ea p p l i c a t i o n t o u c hs c r e e nh a se n j o y e d g r o w i n gf a v o ra m o n gc o n s u n l e l sa n di n d u s t r ya l lo v e rt h ew o r l df o ri t si n t e r a c t i o na n de a s y o p e r a t i n g t h es t r u c t u r eo ft h ec h i pi sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o na n df e a t u r e d e f i n e da tt h eb e g i n n i n gp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n c k 5 2 0i sd e p l o y e da sm i c r o p r o c e s s o ra n d a m b a 2 0a sm a i nb u s w ed e s i g nt h et o u c hs r e e nc o n t r o l l e ri pa n di m p l e m e n tt h ed i g i t a l p a r to fi t w i t hi n t e r f a c et oa m b ab u s ，o nt h eb a s i so ft h ec o n t r o l l e rp r i n c i p l eo ft o u c h s c r e e n d e s i g no t h e ri p ss u c ha sm e m o r yc o n t r o l l e r , d m ac o n t r o l l e r , l c dc o n t r o l l e r , u s b d e v i c e ，e t h e r n e tm a c ，e t c t h e i rh a r d w a r es t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l ea n dp o i n t sf o ra t t e n t i o n i na p p l i c a t i o na r eg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n a f t e rt h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e m ，w es e tu pt h ep l a t f o r mf o rv e r i f i c a t i o n ，w r i t et h e t e s tc a s e st ov e r i f ym o d u l ef u n c t i o na n ds y s t e mc o n n e c t i v i t y w ed ot h ec h i pl e v e ls y n t h e s i s a f t e rp a s st h es i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o na n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g nm e e t st h et i m i n g r e q u i r e m e n t t h ef u n c i o n so ft h ec h i pa r ea l s ov e r i f i e dt h r o u g h t h et e s t so nt h ef p g ab o a r d k e y w o r d s ：d e s i g no fs y s t e mo nc h i p ( s o c ) ，t o u c hs c r e e nc o n t r o l l e r , m i c r o p r o c e s s o r , a m b a b u s ，s y s t e mv e r i f i c a t i o n l u 浙江大学硕十学位论文 表目录 表目录 表2 1总体地址分配8 表2 2片上外设控制寄存器地址分配9 表2 3a h b 总线设备接口1 4 表2 4a h b 模块寄存器1 4 表2 5a p b 总线设备连接1 5 表2 6 存储器的地址分配1 7 表2 7m m c 0 寄存器地址映射1 7 表2 8m m c l 寄存器地址映射1 8 表2 9d m a 硬件握手信号分配2 0 表2 1 0d m a c 寄存器地址映射2 1 表2 1 1中断矢量高位真值表2 2 表2 1 2中断号的分配2 3 表2 13 中断表2 3 表3 1 触摸屏驱动模块寄存器3 4 表3 2l c d c 模块寄存器描述3 9 表5 1芯片逻辑综合结果总结6 6 表6 1f p g a 实现与a s i c 实现的不同6 8 一v i 浙江大学硕士学位论文目录 3 4 1 模块简介。4 2 3 4 2 组织结构4 2 3 4 3 操作流程4 3 3 5 图像压缩模块设计4 6 3 5 1 工作原理4 6 3 5 2 结构简介4 6 3 6 其他模块设计4 8 3 6 i 12 c 4 8 3 6 2 u a r t 4 9 3 6 3 g p i o 5 0 3 6 4 r t c 5 1 3 6 5ti m e r 5 2 3 6 6 w a t c h d o g 5 3 3 7 硬件设计总结。5 5 4 设计验证5 6 4 1 仿真验证环境5 6 4 2 仿真验证流程5 7 4 3 系统验证。5 8 4 3 i 触摸屏控制器测试5 9 4 3 2m a c 模块测试。6 l 4 3 3 1 2 c 模块测试6 2 4 3 4 看门狗模块测试6 4 4 4 仿真验证总结6 5 5 芯片逻辑综合 6f p g a 验证。 7 总结。 参考文献一一。一。 作者简历 6 6 一一 6 8 7 0 7 1 7 4 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图2 1系统结构框图7 图2 2模块分层示意图7 图2 3 编程模型1 1 图2 4a h b 总线框图13 图2 5总线仲裁示意图13 图2 6a p b 模块结构框图1 5 图2 7存储器管理控制器( 删c 0 ) 的结构图1 6 图2 8d m a c 结构及其在系统中的应用1 9 图2 9时钟产生模块框图2 4 图2 10 复位结构图2 4 图2 1 1常用外部复位电路接法2 5 图3 1四线式触摸屏结构示意图2 6 图3 2触摸屏工作原理2 6 图3 3触摸屏控制模块结构图2 7 图3 4触摸屏接口子模块原理图2 7 图3 5s 0 1 8 a d 2 g 输入输出信号2 8 图3 6a d c 数字信号波形图2 8 图3 7数模屏驱动的数字接口结构图2 9 图3 8a p b 总线工作状态机2 9 图3 9a p b 总线从设备写周期时序图3 0 图3 10a p b 总线从设备读周期时序图3 0 图3 1 1数据f i f 0 发起d m a 传输请求3 1 图3 1 2d m a c 握手信号波形图3 1 图3 13a d c 接口模块的控制状态机3 1 图3 1 4 触摸屏驱动工作流程框图3 2 图3 1 5 触摸位置测定原理图3 2 图3 1 6中断模式工作原理图3 3 图3 1 7l c d 控制模块结构图3 5 一i v 浙江大学硕士学位论文图目录 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 6 灰度级数处理模块结构图3 6 彩色处理模块状态机3 6 a h b 主设备接口结构图3 7 a h b 接口模块主要状态机3 7 l c d 接口模块接口和结构图3 8 u s b 设备结构框图4 0 协议引擎模块结构4 0 串行接口引擎模块工作原理4 1 以太网m a c 结构图4 3 图像压缩模块结构图4 6 图像压缩流程图4 7 j p e g 压缩结构框图4 7 u a r t 模块结构图5 0 g p i o 结构框图5 1 r t c 结构框图5 2 计时器( t i m e r ) 结构框图5 3 w a t c h d o g 结构框图5 4 系统仿真测试环境结构图5 7 汇编文件转换过程5 8 测试基本转换的流程图6 0 测试案例2 的波形图6 1 1 2 c 测试软件环境图6 2 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 在我即将完成硕士研究生学业之际，借此机会向在这两年时间内给予我支持、鼓励 和帮助的导师、亲人以及诸多良师益友表示最诚挚的感谢。 首先感谢我的导师严晓浪教授，本文是在他的悉心指导下完成的。感谢严老师为我 提供了优越的学习、科研环境和在学习期间给予的无私帮助和指导。两年来，在严老师 的指导下，我拓宽了知识面，增强了创新精神，提高了科研工作能力。严老师渊博的学 识、严谨的治学态度、求是的科学作风将使我受益终生。 感谢张宇弘老师在学业期间给予无私的帮助和热心指导，同时也感谢史峥老师、吴 晓波老师和罗小华老师，在我学 - - - j 和工作中给予的帮助与支持 感谢科研组同窗们在论文完成过程中给予的帮助和支持，与他们的交流讨论，开拓 了我的视野、活跃了我的思维，使我受益匪浅。他们是全励，李德贤、彭剑英、程爱莲、 陈孟儒、蒋辉、麻巍、龙国强、万民勇、薛念、李源深，马斌、颜晓峰、车向勇、周生、 陈雷等。实验室里那种和谐、团结、协作的工作环境，让我度过了美好而快乐的时光。 另外，特别感谢中天微系统公司的莫鹏飞师兄在f p g a 调试期间给予的热心帮助。 感谢给予我帮助和鼓励的可爱的朋友们，特别是亲爱的室友们，有了你们，我的生 活才会更加地丰富多彩。 感谢我的父母多年来一如既往地鼓励，你们不求回报的支持和关心增强了我的信心， 是我完成学业的动力 特别感谢我的男友宫廷智，是你始终坚定不移地支持着我，也正是有了你的全力支 持，我才能顺利完成硕士学业，走向人生新的起点! 胡琛 2 0 0 8 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 l 绪论 1 1 课题的背景及国内外现状 1 1 1 嵌入式微处理器c k - c o r e 的应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础的专用计算机系统。它具有软硬 件可裁剪的特点，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的应用系统。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程 序等四个部分组成n 1 如今，嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、 移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、 家庭自动化系统等等。在各个嵌入式系统中，嵌入式微处理器是整个系统的核心，其性 能直接决定了嵌入式系统的性能n 1 n 1 。 c k - - c o r e 是一款成熟的嵌入式c p u ，是面向嵌入式系统和s o c 应用领域的3 2 位高性 能低功耗处理器i p 核系列，主要包括c k 5 1 0 、c k 5 2 0 ，c k s l 0 e 、c k 5 6 0 和c k 5 6 0 e 。c k c o r e 采用自主设计的体系结构和微体系结构并具有可扩展指令、可配置硬件资源、可重新综 合、易于集成等优点，其在功耗和电源管理上的表现也很出色，可以通过静态设计、动 态电源管理和低电压供电来减少功耗，也可以通过进入省电模式来节省功耗，还可以实 时地关断内部功能模块。 c k - c o r e 作为嵌入式内核已广泛地应用于许多领域，在信息安全、数字电视及机顶 盒、仪器设备、工业自动化仪表等。c k c o r e 的开发已经具有了一套完整的开发软硬件平 台，包括编译工具、链接工具、调试工具链、i d e 集成开发环境、硬件仿真器以及开发 板等，可以进行软硬件协同设计与开发。 c k - c o r e 的目前应用在工业领域较多，但随着消费类电子应用的不断增加，开发在 这一领域的应用将成为c k - c o r e 的嵌入式应用开发的新亮点因此，本次设计在现有应 用基础上，引入了触摸屏和液晶显示驱动模块，将c k - c o r e 的应用扩展成为移动手写设 备控制芯片。 1 1 2 手写输入与触摸屏技术的发展 手写输入设备的出现，是对键盘输入提出的巨大挑战尽管键盘一直占据着电脑输 入的统治地位，但任何输入法都无法在易学性和易用性两者上做到两全齐美，而手写输 入设备以最人性化，同时也是最为原始的输入方式。手写输入系统不须专门学习与训练， 不必记忆编码规则，而且符合中国人的书写习惯，可以一面思考、一面书写，不会打断 一1 一 浙江大学硕士学位论文绪论 思维的连续性。因此，手写输入设备为使用者在汉字录入、艺术绘画，参数化c a d 设计 等应用方面提供了广阔的发展空间。人们对移动设备的要求也为手写输入带来了新的发 展空间1 作为输入设备的触摸屏，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋 予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备，这种技术大大方便了 那些不懂电脑操作的用户。由于触摸屏比传统的开关和输入设备更简便、美观，越来越 多的电子设备开始采用触摸屏作为主要的输入设备。 随着消费类电子产品的风行，电子产品如果想要在激烈的竞争中获胜，除了要具备 更加丰富的功能外，与用户交互方式的是否便捷也显得尤为重要。在2 0 0 7 年，i p h o n e 的问世掀起了触摸屏应用的浪潮，从手机到便携式游戏机，从个人数字助理( p d a ) 到便 携导航设备、从电子词典到多媒体播放器等等领域，触摸屏技术在消费电子领域的应用 遍地开花，俨然成为消费者追捧的一大新热门在巨大的市场需求推动下，各种触摸屏 技术也竟相发展电阻式、表面电容式、投射电容式、红外线式、表面声波式、光学式、 弯曲波式和数字转换器式等等，进一步促进了触摸屏技术的进步。其中，电阻式触摸屏 市场合盖了触摸屏元件制造商中的三分之二。因此，研究触摸屏技术，特别是电阻式触 摸屏的驱动技术的研究电子产品设计十分重要的意义。 手写设备，包括触摸屏，从本质上看是一种传感器，它由检测部件和驱动部件组成。 触摸的检测部件用于检测用户手写的笔画或者触摸的部位，将接受到的数据送到驱动部 件。驱动部件的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换成触点坐标传 给徼控制器，同时也能接收微控制器发送过来的命令并加以执行 电阻式的触摸屏之所以能够普及，除了价格优势外，它在电气上可以直接接入用户 的系统也是一个重要的原因。电阻触摸屏在本质上是电阻分压器，它由两个电阻薄层组 成，这两个薄层被非常薄的绝缘层隔开，绝缘层通常以塑料微粒子的形式存在。当屏幕 被触摸时，会使两个电阻薄层变形到足以使它们之间发生电气连接。然后通过检测分压 器上产生的电压计算出两层的短接位置来确定触摸位置b 1 。 驱动部件需要将收到了位置模拟信号转成微处理器可以处理的数字信号。手写屏幕 在接受碰触信号的同时，作为实时的交互部件，也要将微处理器处理的结果显示在屏幕 上，这就需要驱动部件接受徼控制器的信号，并驱动屏幕显示除了处理、传输触摸屏 的信号之外，手写设备的驱动器还需要能够存储输入输出的信息，并且需要一些传输的 接口，如u s b 等，以方便和电脑相连接传输和处理数据。作为移动便携器件的重要组成 一2 一 浙江大学硕士学位论文绪论 部分，具有手写功能的驱动芯片除了要满足交互的便捷之外，还要做到体积小、功耗低， 因此，采用片上系统的设计思想将驱动器设计成驱动芯片可以更方便的满足这些需求。 1 1 3 系统级芯片技术 长久以来，集成电路( i c ) 的设计能力一直落后与工艺水平的提高。随着工艺技术 的进一步发展，特别是进入深亚微米、超深亚微米工艺阶段之后，两者之间的差距不断 扩大但在另一方面，消费类电子产品正在逐渐成为市场的焦点，并且大约半年左右就 更新换代一次，这就需要设计的芯片有更多的功能、更低的价格和更短的设计生产周期。 正是在这种情况下，系统芯片( s o c ) 技术应运而生町 系统级芯片技术以超深亚微米工艺为依托，以知识产权( i p ) 核复用技术为支撑。 它具有专用集成电路( a s i c ) 设计的复杂程度，但又和a s i c 不完全一样，是建立在超深 亚微米i c 设计技术上的系统级设计i p 核的复用技术使得在较短时间内，在单个系统 芯片上实现非常复杂的功能变得可行。因为如果芯片上的所有功能模块都重头开始设计， 将耗费大量的人力和物力，设计周期也会大大加长i p 即知识产权，i p 核是预先设计好 的电路功能模块。通过购买i p 或者设计团队拥有自己的i p 库，s o c 设计就可以利用这 些现有的资源，设计人员的关注焦点也随之变成：软硬件的功能划分、如何进行模块互 连、应该选择哪些功能模块、功能模块如何使用以及如何进行系统验证等，从而缩短开 发时间，降低开发成本，因此i p 技术是s o c 设计的重要技术支撑，基于i p 复用的设计 方法也成为系统芯片设计的主流方法，d a t a q u e s t 的首席分析师j i mt u l l y 认为，设计 重用的关键以及消除设计制造剪刀差的唯一有效的方法就是i p 复用技术n 1 1 1 1 o 一个电子系统的设计包括硬件和软件两个部分，现代的系统级设计中，软件和硬件 是并行设计的。在设计的初期，系统的各个功能是由硬件还是由软件来实现还没有确定。 在完成系统功能的定义，对系统进行硬件、软件划分后，即可明确系统软、硬件需要各 自需要实现的功能。在s o c 的设计过程中，涉及到很多关键技术，如设计描述、软硬件 协同设计、i p 集成复用、设计验证、异构子系统集成、深亚微米设计、高性能与低功耗 设计、可测性设计等等。虽然s o c 的概念己被提出多年，而且相关的设计、验证及测试 方面的研究取得了长足的进展，但是仍存在很多尚未解决的问题，因此s o c 设计技术仍 是集成电路设计方法学领域的一大热点，仍然是一个具有挑战性任务，需要设计人员进 行更多的设计尝试，积累更多的设计经验，从而提出更加成熟的设计模型n 如 目前常用的s o c 芯片设计主要分为三种类型：一是以微处理器为核心，外围集成各 浙江大学硕士学位论文 绪论 种存储器、控制电路、输入输出等功能集成在一块芯片上；二是以数字信号处理器为核 心，大容量存储器等的集成；三是以上两种类型的混合应用，或者把系统算法和芯片结 构有机地集成在一起。此次课题的设计采用第一种设计模式，以中天微系统公司自主研 发的c k - c o r e 系列微处理器为核心来进行系统设计。 1 2 课题研究的意义 c k - c o r e 作为一款成熟的嵌入式c p u ，目前其应用领域主要集中于工业领域，扩展在 消费类电子领域的应用将为c k - c o r e 的嵌入式应用发展新的亮点另一方面触摸屏技术 的良好交互性开辟了消费类电子产品的新天地。正是在这样的背景下，研究与触摸屏和 手写技术相关的c k - c o r e 嵌入式系统的开发具有很强的现实意义。 各种触摸屏技术的竟相发展为摆脱传统的键盘输入提供的有效的解决方法，良好的 交互界面与方式已成为吸引消费者的重要因素之一消费电子市场正在蓬勃发展，各种 类型的触摸产品纷纷进入市场，如触摸式的手机、数码相机等等。另一方面，s o c 的技 术的不断成熟也使得进一步减小移动设备的体积和功耗成为可能。因此，设计与实现基 于s o c 的移动手写设备控制芯片不仅可以拓展c k - c o r e 在消费类电子领域的应用，也对 研究与触摸屏技术相关的s o c 芯片设计具有十分重要的现实意义。 1 3 论文研究的主要内容与结构 1 3 1 论文的主要研究工作 此次系统芯片的设计是基于3 2 位r i s c 微处理器c k 5 2 0 的开发应用的拓展。设计的 移动手写设备控制芯片的硬件所支持的基本功能参照硬件记事本，即采集触摸屏的坐标 信息，转化为数字信号进行存储，并能将相关信息显示于屏幕上，将存储的信息通过u s b 接口与电脑交互，进行存储及其他操作 硬件设计可分为以下几步：总体规划，模块选择与设计，模块集成，仿真测试，逻 辑综合等，另外，在功能验证时，还引入f p g a 进行测试验证。 在芯片设计的最初期，明确要实现的功能和关键的技术要求，并在此基础上划分各 个功能模块，定义模块接口大部分功能模块可以从实验室现有的i p 库中获得，但在确 定选用某个i p 之前，也需要仔细研究i p 的功能与接口如果i p 的接口与系统定义的接 口有所不同，如可能采用不用的总线接口，则需要对i p 进行修改以适应本系统的集成 无法从i p 库中得到的模块需要重新进行r t l 设计，如触摸屏驱动模块。r t l 设计后使用 l i n t 工具检查r t l 级设计的语法和可综合性。 一4 一 浙江大学硕士学位论文绪论 当子模块分别设计完成后，应用集成环境将模块连接为系统 本次设计的仿真测试分为功能块级验证和系统级的验证功能块级验证通过编写以 测试各功能模块的逻辑功能是否正确为日标的测试案例；系统级的验证则以测试模块间 的接口即系统的连通性为目标编写测试案例，如外设驱动模块与d m a c 模块的硬件握手 等。所有测试案例均采用汇编语言编写，运行于c kc o r e 提供的集成测试环境中。 在系统功能验证后，进行a s i c 芯片逻辑综合。综合工具采用s y n o p s y s 公司的d e s i g n c o m p il e r 工具综合库选用s m i c0 1 8 的工艺库。对设计进行合理的约束，选用混合综 合策略，综合后检查网表是否满足面积和时序约束要求 为了能更加可靠地验证芯片设计，本研究还引入了f p g a 对部分设计的功能进行测 试在有限的成本控制下，能最快地得到系统的功能验证结果，验证整块芯片的逻辑设 计是否符合设计要求。 1 3 2 论文的组织结构 本文主要内容分为三部分，分别是设计、验证与逻辑综合 第一部分为系统的设计，分别是第二章芯片总体架构设计和第三章片上设备硬件设 计此部分首先叙述了本次设计的性能要求、主要技术指标和芯片实现的整体架构，然 后有侧重地叙述了各个子模块的功能和实现，并说明了子模块在系统集成时应注意的问 题。 第二部分为系统的验证，分别为第四章设计仿真验证和第六章f p g a 验证。这两章分 别从a s i c 仿真和f p g a 验证芯片设计的逻辑正确性。 第三部分是第五章芯片逻辑综合。此章针对本次设计，叙述了逻辑综合采用的约束、 所选的综合策略和芯片的逻辑综合结果。 最后在第七章对本次设计进行总结。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 芯片总体架构设计 2 芯片总体架构设计 2 1 系统芯片总体结构 2 i 1 性能概述 此次设计的移动手写设备控制芯片是基于3 2 位r i s c 微处理器c k 5 2 0 的高性能系统 芯片除了微处理器外，系统还将集成多个功能模块，分别为触摸屏控制模块，d m a 控 制模块，存储器控制模块，片上存储模块，包括s r a m 和f l a s h 等，u s b 接口模块，看 门狗模块，通用异步传输( u a r t ) 接口模块，通用可编程输入输出口( g p i o ) ，以太网 m a c 接口模块，i2 c 总线模块等n 刀j 2 3 1 芯片支持a m b a 2 0 总线协议，各个系统i p 模块均经由a m b a 总线与系统相连，高速 模块，如d m a 控制模块，存储器控制模块等与a h b 总线进行数据传输，低速模块，如看 门狗模块，通用异步传输( u a r t ) 接口模块等接于a p b 总线a h b 与a p b 之间由h p b 总 线桥相连。 此s o c 设计支持从片内f l a s h 或片外存储器启动，可通过j t a g 接口对c p u 进行编程 调试，支持在其上运行u c i i n u x 等操作系统，可根据用户功能需求灵活的编程使用配置。 设计的移动手写设备控制芯片的硬件支持的基本功能参照硬件记事本，即触摸屏驱 动模块支持采集触摸屏的坐标信息，并转化为数字信号进行存储；液晶驱动模块支持将 书写内容显示于液晶屏上；u s b d 支持与电脑交互，进行相关的存储及其他操作其他模 块支持扩展应用，如i2 c 和u a r t 支持同、异步外围设备等；r t c 部件支持实现计时、日 历时钟等。 2 i 2 系统芯片结构 控制芯片由中央处理器、存储控制部件、i o 设备等组成，是一个典型的计算机系 统，系统的组织结构如图2 1 所示 处理器核：采用c k 5 2 0 处理器核，工作频率 2 0 0 m h z ，指令和数据缓存均为8 k b ； 总线：片上总线采用a m b a ，包括a h b 、a p b ，a h b 工作频率i o o m h z ，a p b 工作频率5 0 m h z ； 触摸屏控制：驱动四线电阻式触摸屏； 存储器：片上f l a s h 大小：2 5 6 k b ，采用s m i c 0 1 8 e f l a s h ；片上s r a m 大小为3 2 k b ； 存储控制器( m m c ) ：支持r o m ，f l a s h ，g r a m ，s d r a m ，支持从片内f a l s h 或片外 f l a s h e e p r o m 启动系统； 一6 一 浙江大学硕士学位论文芯片总体架构设计 图2 1系统结构框图 d m a 控制器：分别与1 2 c 、u a r t 、t s c 采用硬件方式握手，共有7 个握手通道； 传输接口：u s b 接口遵循u s b l 1 从接口协议；m a c ( 1 0 10 0 m 以太网) 遵循i e e e s 0 2 3 协议；2 个标准u a r t 接口；符合标准1 2 c 接口协议，支持10 0 k b p s 和4 0 0 k b p s 两种 速度模式； 其他：支持j p f g 图像压缩，通过片上p l l 产生不同模块所需时钟；支持3 2 个中断 源；6 个独立的可编程定时器；支持实时时钟控制，支持3 2 位看门狗计数器。 图2 2 是设计时的模块分层示意图，这是考虑到时钟产生电路和复位信号产生电路 图2 2 模块分层示意图 一7 一 浙江大学硕士学位论文芯片总体架构设计 的全局性以及一些i p 获得的形式因为i p 提供者出于保密的要求，笔者在设计初期只 能获得此部分i p 的验证模型，非可综合的r t l 描述如图2 2 所示，橙色部分是拥有验 证模型的模块，如p l l 等，蓝色模块是需要设计或者配置的模块。v l s i t o p 模块是设计 的重点，其中包含了系统总线和其他各个连接于a h b 或者a p b 总线上的子模块，如d m a c ， 触摸屏驱动模块等，连接结构如图2 1 所示 本章的以下小节和下一章将根据图2 1 所示的系统结构，有侧重的介绍系统中各个 模块的设计。和整个架构有关的模块将在文章介绍，c k 5 2 0 作为本系统的核心，将首先 重点介绍它的性能特点和编程模型，因为在验证阶段的测试案例均采用c k 5 2 0 的指令集 的汇编语言编写；然后是系统的经络a m b a 2 0 总线的两个模块；最后是其他全局性的模 块第三章则对片上驻留设备进行设计，其中体现手写设备特点的触摸屏驱动模块和液 晶显示模块将重点叙述；最后是其他的片内模块。各个模块的说明将主要从应用的角度 出发，说明其结构和各模块在片上系统集成中的注意点。 2 1 3 存储组织 本系统采取外设与存储、片内与片外统一编址，支持片上片外存储地址复位后重映 射，采用3 2 位数据，地址线宽3 2 位，地址总体分配情况如表2 1 所示，片上外设控制 寄存器地址分配表2 2 所示。 表2 1 总体地址分配 地址范围大小 描述 超级态用户态 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 f f f f f f f2 5 6 m r 上i 肯外存储 o x l 0 0 0 0 0 0 0 o x l f f f f f f f2 5 6 m 片上外设 完全访问可选 o x 2 0 0 0 0 0 0 0 o x 2 f f f f f f f2 5 6 m r 外f 真上存储 o x 3 0 0 0 一0 0 0 0 0 x 3 f f f f f f f2 5 6 m 片外外设 o x 4 0 0 0 一o 0 0 0 0 x f f f f f f f f 3 g b 保留 n a 注：r e m l ) | o ，片内f l a s h 从o x 0 0 地址开始；r e m l 卜l ，片外n o rf l a s h 从o x 0 0 开始 系统支持从片内f l a s h 和片外储存两种启动方式，通过存储器控制器引出到片外的 r o m a p 信号来设置。c k 5 2 0c p u 启动时需从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开始读取b o o t 地址，故需在 o x o 地址预先存入启动p c 值，然后将o x o 地址设置在何处系统就将从何处开始启动，c p u 读取o x o 处的p c 值后将跳转到此p c 处继续执行 2 2 徼处理器核c k 5 2 0 c k - c o r e 是3 2 位高性能低功耗嵌入式c p u 核，拥有自主知识产权，主要面向嵌入 一8 一 浙江大学硕士学位论文芯片总体架构设计 式系统和s o c 应用领域。c k - c o r e 采用自主设计的体系结构和微体系结构，具有可扩展 指令、可配置硬件资源、可重新综合、易于集成等优点。可以通过静态设计、动态电源 管理和低电压供电来减少功耗，也可以通过进入省电模式来节省功耗，还可以实时地关 断内部功能模块 1 8 】。 表2 2 片上外设控制寄存器地址分配 c k 5 2 0 在第一代i p 核c k 5 1 0 的基础上增加了o m f l i p 、m a c 、m t l o 、m t h i 、m f l o 和 m f h i 指令c k 5 2 0 拥有高性能的3 2 位数据长度，1 6 位指令长度；工作频率大于2 0 0 m h z ； 采用精简指令集计算机结构( r i s c ) ；7 级流水线，完全对软件透明；拥有a m b a 内部总 线与接口，高性能片上高速缓存；支持两级跳转预测，片上硬件调试，快速中断，向量 中断和自动向量中断；指令高缓和数据高缓大小可变，并且支持支持指令重构，这些特 。9 。 浙江大学硕士学位论文 芯片总体架构设计 点都为用户使用带来了更大的灵活性，使用者可以根据实际需要，选择最高效的编程方 式。 2 2 1 微体系结构 c k 5 2 0 使用了7 级流水线结构，内存管理单元可以让超级用户自由定义4 个地址空 间的访问权限，权限划分为：不可读写只读可读写。4 个地址空间可重叠，从而可形 成各种访问控制模式【1 9 】。 存储单元支持不间断流水线，开辟了八个写缓冲区，具有内部b y p a s s 机制，利用 快速退休加快指令的执行速度。存取指令可以操作字节、半字和字，并可以在字节和半 字操作时自动扩展0 。这些存取指令可以流水执行，使得数据吞吐量达到一个周期存取 一个数据 总线接口单元支持突发传送，支持关键字优先的地址访问，可以在不同的系统时钟 与c p u 时钟比例( 1 ：1 ，1 ：2 ，1 ：4 ，1 ：8 ) 下工作。标准j t a g 调试接口支持各种调试方式， 包括软件设置断点方式、硬件设置断点方式、单步和多步指令跟踪、跳转指令跟踪等7 种 方式，支持存储器内建自检测( n b i s t ) ，可以调试c p u 、通用寄存器( g p r ) 、可选择寄 存器( a g p r ) 、协处理器0 ( c p 0 ) 和内存 1 6 个通用寄存器用于提供源操作数和存放指令执行结果。寄存器r o 通常用作当前 堆栈指针，寄存器r 1 5 通常用作链接寄存器存放子程序的返回地址 算术运算单元包括3 2 位的算术逻辑单元( a l u ) ，一个桶型移位器和乘法器。算术 逻辑运算绝大部分可以在一个周期内完成。a l u 执行标准的3 2 位整数操作，支持快速 找1 算法( f f l ) 。乘法器支持3 2 3 2 整数乘法，除法器的设计采用了快速算法，当除 数与被除数大小比较相近时能够大大减少运算所需的时钟数( 3 3 7 个) 。 一个条件进位位( c ) 用于条件测试和多于3 2 位的算术逻辑运算。一般的，c 位 只在显式的测试比较运算中被改变，而不是正常指令运算的副作用。但是在某些特定的 把条件设置和运算结合的指令中可能例外。 快速中断响应，1 6 个可选择寄存器用于减少在中断异常处理时花费的时间。支持矢 量和自动矢量中断n 盯。 2 2 2 编程模型 c k 5 2 0 的编程模型如图2 3 所示 浙江大学硕士学位论文 芯片总体架构设计 通用寄存器 】 田 普通用户模型 可选寄存器 j 互 田 控制寄存器 超级用户模型 图2 3 编程模型 c k 5 2 0 定义了两种编程权限，分别是超级用户模式和普通用户模式。普通用户程序 只允许访问那些指定给普通用户模式的寄存器；工作在超级用户模式下系统软件则可以 访问所有的寄存器，使用控制寄存器来进行超级用户操作有一些操作在普通用户模式 是不允许的，程序根据其权限来访问寄存器，这样普通用户程序就可以避免接触那些特 权信息，而操作系统通过协调与普通用户程序的行为来为普通用户程序提供管理和服务。 大多数指令在两种模式下都能执行，但是一些对系统产生重大影响的特权指令只能工作 在超级用户模式下例如，普通用户程序不能执行s t o p ，d o z e 或w a i t 等指令。 图2 3 中描述的寄存器用于存放和控制操作数所有的寄存器被分成普通用户模式 和超级用户模式两个访问权限普通用户编程模型包括1 6 个3 2 位通用寄存器，3 2 位 程序指针( p c ) 寄存器和条件进位位( c ) c 位也就是p s r 的最低位，