（电路与系统专业论文）嵌入式系统spi总线控制器的内核设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文以湖北省科委“掌上无线智能终端设备”项目为背景，着重介绍了在嵌 入式系统中实现s p i 串行通信总线控制器子系统的方案设计与实现过程。利用硬 件描述语言( h d l ) 和在系统可编程( i s p ) 技术是本方案的主要特点。而自项向下 ( t o g = d o w n ) 设计方法的运用使本方案成为现代e d a 设计的典型实例。 f 在对现行各种总线的优势与不足进行充分比较和对该系统的应用需求进行详 细分析的基础上，我们选择了s p i 总线实现该嵌入式系统中c p u 与部分外围器件 之间的数据传输。s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外设接口) 总线系统是一个同 步串行外设接口。它允许c p u 与各种外围器件通过四条线，以串行方式进行通讯 和交换信息。s p i 总线的使用可以简化电路设计，提高系统的可靠性。 在方案设计过程中，我们采用了自顶向下的设计方法。通过行为描述、寄存 器传输级描述和门级描述以及贯穿设计始终的功能仿真。从而使方案设计过程中 隐含的错误和缺陷尽早被发现，以节省大量人力物力与时间。而现代e d a 设计中 最先进的设计工具和芯片编程技术的使用，使系统的设计摆脱了硬件的束缚，同 时也为将来的升级带来方便4 。 本文对s p i 总线的原理、功能、信号、通信机制和特点进行详细分析，提出 了具体的设计方案；定义了外部接口信号和内部寄存器；并根据功能的不同进行 了模块划分；用h d l 语言和设计工具对各个模块的功能进行描述，并通过仿真来 验证设计的正确性。 l 本文还对s p i 串行通信总线控制器子系统应用的系统背景进行了介绍，以便 于对本文的理解。总之，我们希望通过阐述我们在s p i 串行通信总线控制器子系 统设计过程中的方法与经验，对以后的工作有所帮助o ) 凡八 关键词：s p i 总线，i s p ，c p l d ，v h d l ，嵌入式系统，嵌入式l i n u x 华中科技大学硕士学位论文 _ _ - - - _ _ - _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ - - _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sw r i t t e no nt h eb a c k g r o u n do ft h e “h a n d - h e l dw i r e l e s s i n t e l l i g e n tt e r m i n a l s ”，t h ep r o j e c ti nt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e eo fh u b e i p r o v i n c e t h ed i s s e r t a t i o nr e c o m m e n d st h ep r o c e s st o d e s i g na n di m p l e m e n tas p i m a s t e rs u bs y s t e mi nt h ep r o j e c t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h i sp r o j e c ti st h eu s i n go f h d la n di s pt e c h n i q u e w eu s et h et o p - d o w n p r o c e s s t oi m p l e m e n ti t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa l lk i n d so fb u s e s ，t h e r e q u i r e m e n t o ft h ee m b e d d e d s y s t e m w e c h o o s et h es p it o i m p l e m e n t t h e c o m m u n i c a t i o no fc p ua n ds o m ee x t e r n a lc h i p s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) i sa s y n c h r o n o u ss e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e i t s u p p l i e s as e r i a ld a t al i n kt oc p ua n d p e r i p h e r a lc h i p ，u s i n gf o u rw i r e s u s i n gs p ic a np r e d i g e s tt h es y s t e md e s i g na n d i m p r o v e t h ed e p e n d a b i l i t yo f t h e s y s t e m w eu s et h et o p d o w n p h i l o s o p h yt od e s i g nt h ep r o j e c t b yt h ew a y o fb e h a v i o r a l d e s c r i p t i o n ，r t ld e s c r i p t i o n ，g a t el e v e ld e s c r i p t i o na n dt h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ，w e c a r lf i n do u tt h em i s t a k e sa n db u g sd u r i n gt h es y s t e md e s i g na n do v e r c o m et h e ma s e a r l ya sp o s s i b l e t h i sw i l lb e n e f i tt h ed e s i g n e r sw o r ka n ds h o r t e nt h ed e s i g np e r i o d i t f r e e st h ed e s i g n e rf r o mt h el i m i to fh a r d w a r e a n di ta l s om a k e si tv e r y e a s y t ou p g r a d e t h ed e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep r o t o c o lo fs p ia n dr e f e r sa p r o j e c t t oi m p l e m e n tt h e s p im a s t e ru s i n gc p l d w ed e f i n et h ee x t e r n a ls i g n a l sf o ri n t e r f a c ea n dt h ei n t e r n a l r e g i s t e r s t h es y s t e mi sb r o k e ni n t os e v e r a lb l o c k sa c c o r d i n gt h ef u n c t i o no ft h e m e v e r yb l o c ki sd e s c r i b e db yv h d l a n dt e s t e d b y t h ef u n c t i o ns i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi n e d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ee m b e d d e d s y s t e ma n dt h e s p im a s t e rs u b s y s t e m i ng e n e r a l ，w eh o p eo u rs t u d i e sa n ds o m er e l e v a n tt e c h n i q u e si n t h ea r e ao fh d la n di s pw i i lb ec o n t r i b u t e dt ot h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：s p ib u s ，i s p , c p l d ，v h d l ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 本文的研究背景及意义 1绪论 在现代各类计算机和嵌入式系统中，微处理器与大量外围芯片和外围设备之间 的连接日趋复杂，为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置 以适当的接口电路实现微处理器与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路 被称为总线【”。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其是制定了统一的总线标 准则容易使不同设备间实现互连。微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部 总线【2 1 3 1 。从通信方式上又可以分为并行总线和串行总线，其中串行通信一般可分 为异步模式和同步模式h 1 。 s p i 总线是m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行接口总线。s p i 总线只有四根信 号线。它是一种同步总线，它可以实现微处理器和外围芯片之间的同步串行通信。 s p i 总线具有连线简单、通信速率高、可实现全双工通信的优点，因此s p i 总线在 嵌入式系统中得到了广泛的应用，许多芯片厂商生产的芯片都具有s p i 接口。 本文将以湖北省科委“掌上无线智能终端设备”项目为背景，利用在系统可 编程技术为嵌入式微处理器设计一套基于标准并行总线的s p i 控制器芯片。要求 所设计的s p i 控制器芯片能实现s p i 相关协议与规范，接口标准化，兼容性强，操 作简单，为多种嵌入式c p u 与种类和功能繁多的外围芯片提供一个通信平台。 1 2 国内外研究概况 随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，从 而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。其中常用的内部总线有1 2 c 总线、s p i 总线、s c i 总线。下面对这三种总线技术分别加以介绍。 1 2 11 2 c 总线 1 2 c ( i n t e r - i c ) 总线1 0 多年前由p h i l i p s 公司推出，是近年来在微电子通信控制 领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线 华中科技大学硕士学位论文 少、控制方式简化、器件封装形式小、通信速率较高等优点。在主从通信中，可 以有多个1 2 c 总线器件同时接到1 2 c 总线上，通过地址来识别通信对象。 1 2 2s p i 总线 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e l 总线技术是m o t o r 0 1 a 公司推出的一种同步串行接 口。s p i 总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以与s p i 有关的软件就 相当简单，使c p u 有更多的时间处理其他事务。 1 2 3s c i 总线 串行通信接口s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c e ) , 营, 线也是由m o t o r o l a 公司推 出的。它是一种通用异步通信接口u a r t ，与m c s 一5 1 的异步通信功能基本相同。 1 3 本文的研究方向和内容 对于非总线类微处理器，在没有并行扩展总线的情况下，利用串行外围接口 可以扩展一些必要的外部器件。总线型微处理器虽然有方便的并行扩展总线，然 而串行扩展接口或串行扩展总线的设置必将大大地简化其系统结构。并行、串行 两种外围器件的扩展方式为硬件系统设计带来极大方便。除了最必须的存储器扩 展外，其它外围器件都可通过串行扩展方法进行扩展，而存储器的扩展很容易构 成标准电路。串行总线扩展接线灵活，极易形成用户的模块化结构。因此，并行 总线与串行总线扩展技术的推广将会引起微处理器应用系统设计方法的重大变革 。 1 3 1 总线选型 本文的主要目的是为基于龙珠系列c p u 开发的嵌入式系统设计一个总线扩展 接口。为了适应嵌入式系统简化硬件电路设计、简化系统结构，连线简单且占用 较少的端口资源的要求。选用一种实时高效的串行设备总线来实现c p u 与外围芯 片的连接是可行的。 s p i 总线和1 2 c 总线是同步通信总线，而s c i 是异步通信总线。在同步通信总 线中，1 2 c 总线的优点是用软件实现设备寻址，使系统设计和升级方便；主从设备 之间连接简单，只用两根线即可实现数据传输。它的缺点是主从设备之间只能以 半双工的方式实现通信，在一个时刻只能进行收或发一种传输。在标准模式下，1 2 c 华中科技大学硕士学位论文 _ l _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ i - _ _ - i _ l _ _ _ _ _ - i l _ _ _ _ i _ _ _ l _ _ _ _ l l _ o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 蔓_ o ! ! ! ! 一 总线的时钟速率为1 0 0 k h z 和4 0 0 k h z 两种规格。s p i 总线的优点是能够实现主从 设备之间的全双工通信，数据传输速率高，在标准模式下s p i 总线的时钟速率为 2 m h z ，在需要进行较大量数据交换的系统中利用s p i 总线实现c p u 与外围芯片 之间的通信是很方便而有效的。它的缺点是在主从设备之间需要4 根线连接。从 设备的寻址是通过硬件实现的，不便于系统的扩展和升级。 综合考虑s p i 总线和1 2 c 总线的优缺点和系统设计的需要，我们选择s p i 总线 作为c p u 与部分外围芯片的接口总线。 1 3 2 研究方法与内容 为了充分利用微处理器的并行总线，我们的方案为利用一片c p l d 实现一个 s p i 总线控制器，由控制器来负责与多个外围芯片以s p i 方式进行通信。控制器与 微处理器之间的总线为6 8 k 总线，并辅以尽量少的通用i o 资源。我们的实验系统 是一套基于“龙珠”( d r a g o n b a l l ) 微处理器构建的嵌入式系统，软件平台选用的是 嵌入式l i n u x 。开发工具选用的是v h d l 硬件描述语言和x i l i n x 公司出品的e d a 集成开发环境i s e4 1 。随后的章节将详细介绍嵌入式系统、e d a 技术、串行外围 设备接口( s p i ) 的实现方案以及仿真结果。 华中科技大学硕士学位论文 2嵌入式系统的串行总线扩展技术 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它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，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【5 】【6 】 7 1 【8 】o 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【8 i 】【9 】： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型c p u 的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦 合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更 具有竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式系统的分类 根据不同的分类标准嵌入式系统有不同的分类方法，这里根据嵌入式系统的 复杂程度，可以将嵌入式系统分为四类【l o 】：单个微处理器：不带计时功能的微处 理器装置；带计时功能的组件；在制造或过程控制中使用的计算机系统。 2 1 4 嵌入式系统发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑 战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用 和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争j 。 2 2 嵌入式系统的硬件开发平台 2 2 1 开发平台框图 圈2 1 掌上无线智能终端设备系统框图 2 2 2 微处理器模块 我们的开发平台选用的是m o t o r o l a 公司的d i g i t a l d n a 系列解决方案f 龙 华中科技大学硕士学位论文 珠，r d r a g o nb a l l ) 微处理器。m o t o r o l a 作为全球领先的嵌入式处理器生产商， 在p d a 领域屡有建树。由他们推出的d i g i t a l d n a 系列解决方案一“龙珠”( d r a g o n b a l l l 微处理器是当前使用最广泛的p d a 微处理器。p a l m 、h a n d s p r i n g 、恒基伟业、 联想、方正和汉王等厂商都是“龙珠”微处理器的应用者，其中以p a l m 系列产品 使用最多。所以“龙珠”几乎占据了p d a 市场上7 0 的份额，可谓是枝独秀。 目前“龙珠”系列微处理器主要包括d r a g o n b a l le z 和d r a g o n b a l lv z 。使用最为 普及的d r a g o n b a l lv z 运行速度为3 3 m h z ，对所有编码兼容。由于沿用了“龙珠” 处理器一贯的结构，所以它可双倍提升任何使用l6 m h zd r a g o nb a l l 的微处理器， 也可对现有d r a g o n b a l le z 进行速度升级。d r a g o n b a l lv z 还可通过集成在片上的 胶逻辑支持高达2 5 6 种彩色的l c d 面板，当然这点d r a g o n b a l le z 也能实现。这 一特点为基于“龙珠”系列处理器的应用设计提供了更自由的选择 1 4 儿”1 。 6 8 k 的“龙珠”系列处理器，不仅在硬件上提供更先进的设计，还为p d a 产 品设计者提供了广泛的开发工具，包括编译程序、调试程序、仿真程序、运行系 统以及第三方解决方案，这可以显著缩短p d a 设计和开发周期的时间【1 ”。 2 2 3 存储器模块 存储器模块包括f l a s h 芯片和d r a m 芯片两部分。f l a s h 芯片的主要作用 是在关机状态下存储操作系统、应用程序以及必须的用户数据信息。f l a s h 也叫 闪速存储器。它和e p r o m 类似，可用电擦除，方便而且寿命也很长( 几万到几 十万次不等) 。我们选用2 m 容量的a m l 2 9 l v l 6 0 芯片，具体操作和原理见产品 手册。d r a m 芯片的主要作用是作为系统和应用程序运行时的内存系统用以存放 数据和临时文件。d r a m 也叫动态r a m ，它的优点是集成度高，读取时间短。我 们采用8 m 容量的m d 5 1 v 6 5 1 6 0 芯片。具体介绍参见芯片手册。 2 2 4 电源模块 我们采用的电源稳压芯片是t p s 7 2 3 3 ，它可以将外电源+ 5 v 输入变换成稳定 的电压3 3 v 。为系统提供工作电源。 为了给l c d 显示模块提供需要的偏压，电源模块还包括一片升压变压器芯片 m a x l 6 7 7 。m a x l 6 7 7 可提供一路3 3 v 或可调( 2 5 v 到5 5 v ) 的输出电压，以及 一路l c d 偏压，电压可高达+ 2 8 v 或- - 2 8 v 。通过这个芯片，我们得到了一个+ 5 v 的电源输出和一个l c d 的偏压。 2 2 5 总线与网络模块 6 华中科技大学硕士学位论文 1 内部总线 c p u 与存储器等进行通信的总线为同步并行的6 8 k 总线，这是m o t o r o l a 6 8 k 系列c p u 的专用总线。 为了实现c p u 与e e r o m 和a d 转换器等外围器件的接口，我们为微处理器 设计了基于6 8 k 总线的s p i 控制器。利用该控制器可方便的实现c p u 与8 个或更 多具有s p i 接口的外围设备之间的通信。 2 外部总线 通过一片串行通信芯片m a x 2 0 2 可以为系统提供一个串行通讯接口。m a x 2 0 2 的作用是实现3 3 v 的t t l 电平的通讯信号与r s 2 3 2 电平通讯信号之间的转换。 3 网络接口 利用c s 8 9 0 0 芯片可以为系统提供一个以太网络通讯接口。 2 3 嵌入式系统的软件开发平台一嵌入式l i n u x 2 3 1 l i n u x 简介 简单地说，l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，它主要用 于基于i n t e lx 8 6 系列c p u 的计算机上。这个系统是由世界各地的成千上万个程序 员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能 自由使用的u n i x 兼容产品 1 6 】 1 7 1 。 l i n u x 以它的高效性和灵活性著称。它能够在p c 计算机上实现全部的u n i x 特性，具有多任务、多用户的能力。l i n u x 操作系统软件包不仅包括完整的l i n u x 操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。它还包括带 有多个窗口管理器的x w i n d o w s 图形用户界面，允许我们使用窗口、图标和菜单 对系统进行操作【”】。 目前，嵌入式操作系统主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，l i n u xc e ， q n x ，e c o s ，l y n x ，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面 和网络支持。很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高端， 一般人难以接受。嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在 被广泛采用，今后还会有更多的开发者使用嵌入式l i n u x 作为他们的操作系统平台 0 8 1 1 9 1 。 2 3 2 选择l h a u x 的原因 7 华中科技大学硕士学位论文 综述前面提到的l i n u x 的种种优点，选择l i n u x 的原因有以下几点： 1 可应用于多种硬件平台。 2 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。 3 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省大量 的开发费用。 4 它本身内置网络支持。 5 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 6 l i n u x 在台式机上的成功，使大家看到了l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前景。 2 3 3u e l i n u x 及其可采用的小型化方法 l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容，开放源代码。它原 本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐 的应用于嵌入式设备。u c l i n u x 正是在这种氛围下产生的。在u c l i n u x 这个英文单 词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思，所以u c l i n u x 就是 m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”。 u c l i n u x 的小型化可以从以下几个方面考虑： 1 u c l i n u x 的内核加载方式 u c l i n u x 的内核有两种可选的运行方式：可以在f l a s h 上直接运行，也可以加 载到内存中运行。这种做法可以减少内存需要。 f l a s h 运行方式：把内核的可执行映象烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的 某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。 内核加载方式：把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件 在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快( r a m 的存取速率要比f l a s h 高) 。同时这也是标准l i n u x 系统采用的启动方式。 2 u c l i n u x 的根( r o o t ) 文件系统 u c l i n u x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统 要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面，首先内核支持r o m f s 文件系统比支 持e x t 2 文件系统需要更少的代码，其次r o m f s 文件系统相对简单，在建立文件系 统超级块( s u p e r b l o c k ) 时需要更少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保 存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a m 盘的方法进行处理( v a m 盘将采用 e x t 2 文件系统) 。 华中科技大学硕士学位论文 3 u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来越 全的g l i b c 库，u c l i b c 对l i b c 做了精简。u c l i n u x 对用户程序采用静态连接的形式， 这种做法会使应用程序变大，但是基于内存管理的问题，不得不这样做。同时这 种做法也更接近于通常嵌入式系统的做法。 2 4 嵌入式系统的s p i 总线扩展 s p i 总线包括串行时钟线( s c k ) ，主设备输入从设备输出数据线m i s o ，主设 备输出从设备输入数据线m o s i 和低电平有效的从设备选通线s s n 四根信号线， 通过一个带有移位寄存器的接口，数据可以在主从设备之间传送。而s p i 控制器 的状态则通过s p i 控制器内的寄存器来反映。根据s p i 协议和本设计方案的规定， 微处理器可查询和修改寄存器的值以控制s p i 控制器实现正常的通信。 为了使用尽量少的系统资源来管理更多的串行外围器件，我们设计了一块利 用c p l d 实现的s p i 总线控制器芯片。为了系统的兼容性我们采用了单片机的8 位总线模式来实现c p u 与s p i 控制器的通信，这样的通信方式在6 8 k 总线系统中 应用也是非常方便的。 我们设计的s p i 总线控制器，可以为没有s p i 总线接口的嵌入式微处理器扩展 一个s p i 总线接口也可在需要c p u 对较多外围器件进行管理的系统中应用，作为 外部设备管理器，以节约有限的通用i o 资源。s p i 总线控制器主要由两个模块组 成：微处理器接口逻辑和s p i 总线接口逻辑。其中微处理器接口逻辑主要完成微 处理器和总线控制器的接e l ，它负责将微处理器的并行接1 2 1 信号存入s p i 控制器 的寄存器中或将s p i 控制器寄存器中的数据送往并行总线：s p i 接口逻辑主要完成 s p i 总线协议所规定的操作，如从设备选择，时钟产生，数据输入输出等。 本文将在随后的部分详述s p i 控制器的原理、仿真机制和实现过程。 2 5 本章小结 本章对湖北省科委的“掌上无线智能终端设备”项目的情况进行了简要介绍， 包括硬件设计框图，各模块的功能等。通过以上分析，我们对在嵌入式系统设计 过程中需要考虑的如布线密度、连接复杂性等要求有了更深的了解。通对s p i 总 垡迹丛：鲤k 萱垡迹这：g k 送厶塞丝熊堡墨殴拯往友基敛盆盘筮血塑让工s p i 9 华中科技大学硕士学位论文 控制器子系统的功能模块的划分和各模块内部寄存器的定义和操作等。s p i 总线控 制器主要由两个模块组成：微处理器接口逻辑和s p i 总线接口逻辑。微处理器可 以通过控制信号线和操作s p i 控制器内的各个寄存器实现对s p i 控制器的访问。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3e d a 技术与h d l 语言 二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得到 了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、s s i 、m s i 到l s i 、v l s i 以及u v l s i 的过程 2 “。同时，为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路 f a s i c ) 逐_ 渐取代了通用全硬件l s i 电路，而在这二者中，a s i c 以其体积小、重量 轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。总的来说，a s i c 的制作可 粗略地分为掩膜法和现场可编程法两大类。目前，可编程逻辑器件( p l d ) ，尤其是 现场可编程逻辑器件( f e l l ) ) 被大量地应用在a s i c 的制作当中。在可编程集成电路 的开发过程中，电子设计自动化( e d a ) 技术应运而生 2 ”。e d a 技术的出现，不仅 为电子系统设计带来了一场革命性的变化，从某种角度来说，也成为其发展的必 然。 3 1e d a 技术的基本特征及发展 3 1 1e d a 技术的基本概念 e 1 ) a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 即电子设计自动化技术，是一种以计算机 为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以至人工智能学等 多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子 设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术【2 l 】。 3 1 2e d a 技术的发展历程及发展趋势 e d a 技术的发展经历了一个由浅到深的过程。二十世纪7 0 年代，随着中小规 模集成电路的开发应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无 法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅 助设计，以便解脱繁杂、机械的版图设计工作，这就产生了第一代e d a 工具 2 3 1 。 到了8 0 年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，应运出现了以计算 机仿真和自动布线为核心技术的第二代e d a 技术。其特点是以软件工具为核心， 通过这些软件完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。 9 0 年代后，e d a 技术继续发展，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合 华中科技大学硕士学位论文 技术为特征的第三代e d a 技术。它们的出现，极大地提高了系统设计的效率，使 广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的辅 助设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设 计效率，缩短了产品的研制周期【”j 。 由此可见，e d a 技术可以看作是电子c a d 的高级阶段。e d a 工具的出现， 给电子系统设计带来了革命性的变化。随着i n t e l 公司p e n t i u m 处理器的推出，x i l i n x 等公司几十万门规模的f p g a 的上市，以及大规模的芯片组和高速、高密度印刷 电路板的应用，e d a 技术在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路 板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大挑战。这些问题实际上也是新 一代e d a 技术未来发展的趋势。 3 1 3e d a 技术的基本特征和基本工具 总的来说，现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真 和综合能力【2 l 】。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法f 2 “，使开发者 从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用 户的需求等等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计， 在方框图一级进行仿真、纠错，并用v h d l 、v e r i l o gh d l 、a b e l 等硬件描述语 言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化 工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或 专用集成电路【引】。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、不同 设计风格和应用的要求导致各具特色的e d a 工具被集成在同一个工作站上，从而 使e d a 框架日趋标准化。 e d a 工具的发展经历了两个大的阶段【2 i j ：物理工具和逻辑工具。现在e d a 和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念：电子系统设计自动化。物理工 具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等等：逻辑工 具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语 言进行设计输入，然后利用e d a 系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物 理工具可以接受的网表或v h d l 、v e r i l o gh d l 的结构化描述。现在常见的e d a 工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、优化综合工具等等。 目前，p l d 已成为现代数字系统设计的主要手段【2 3 j 。传统的编程技术是将 p l d 器件插在编程器上进行编程，而“在系统可编程”f i s p ，即i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e ) 逻辑器件的问世，将可编程器件的优越性发挥到了极致。它允许用 华中科技大学硕士学位论文 户“在系统中”编辑和修改逻辑，给使用者提供了在不修改系统硬件设计的条件 下重构系统的能力和硬件升级能力，使硬件修改变得象软件修改一样方便，系统 的可靠性因此而提高。i s p 技术即直接在用户设计的目标系统中或线路板上对p l d 器件进行编程的技术，打破了使用p l d 必先编程后装配的惯例，而可以先装配后 编程，成为产品后还可反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术新的一页。 3 2可编程逻辑器件的发展历程及概述 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路 本身在不断地进行更新换代 2 3 i 。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成 电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半 导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路似s i c ， a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验 室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场 可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂 可编程逻辑器件( c p l d ) 性3 1 。 3 2 1 f p g a c p l d 的产生与发展 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存 贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) - - - 种。由于结构的限制，它们只能 完成简单的数字逻辑功能口”。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件口l d ) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组 成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘 积和的形式完成大量的组合逻辑功能【z 3 】【2 ”。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 2 4 】。 p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以 通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺 有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术【2 4 】。还有一类结构更为灵活的逻辑 器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但 是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可 华中科技大学硕士学位论文 编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e t i ca r r a y l 。g i c 、，如g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可按 除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵 活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速 度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路 【2 4 j 。 图3 1 ：基于查找表的f p g a 的结构 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于 p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 口5 j 和与标准门阵 列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 2 6 1 ，它们都具有体系结构和逻辑 单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵 列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 ：基于乘积项的c p l d 的结构 与门阵列等其它a s i c 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、 开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此 被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有 应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件 2 3 】1 2 4 1 。 3 2 2f p g 刖c p l d 的共同特点 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来， 它们是由三大部分组成的例： 1 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 2 输入输出块：连接逻辑块的互连资源。 3 连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关， 它们用于逻辑块之间、逻辑块与输，u 输出块之间的连接。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情 况下，不加以区分。 f p g a j c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外， 还具有以下几个优点【2 4 j ： 1 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高单一芯 丘囱鄱互丛銮纳上互瓦仝晶链篮：e q 蟹p l 乜丕兰的毖摸也越来越太。墓望兰 华中科技大学硕士学位论文 逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统 集成。 2f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担 投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境 来完成芯片的最终功能设计。所以， f p g a c p l d 的资金投入小，节省了许多潜 在的花费。 3 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软 件就可实现不同的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片，能以最快的速度占领 市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编 程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优 化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行