（计算机应用技术专业论文）可扩展fpga片上系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 本文主要完成了基于w i s h b o n e 总线可扩展f p g a 片上系统的设计，该系 统可以根据需求方便灵活地进行系统扩展。设计采用硬件描述语言v e r i l o g 进行 描述，并在x i l i n x 公司的f p g a 芯片上通过验证。 论文首先简单介绍了片上系统的发展过程，并分析了f p g a 片上系统设计现 存的主要问题，特别是片上总线问题和可复用设计问题。 论文首先分析了单片机应用系统的可扩展问题，并提出了基于f p g a 的解决 方案。然后简单介绍了无线传感器节点，并采用w i s h b o n e 片上总线架构设计 了一种基于f p g a 的易扩展的无线传感器片上系统，该系统由一个8 位的m c ui p 核和多个外设控制器i p 核组成，系统支持扩展多达1 6 个不同接口类型的外部设 备。 片上总线，是连接i p 核构造成s o c 的关键，同时也是可复用i p 核的基础。 本文介绍了目前常用的片上总线，并着重分析了w i s h b o n e 总线，w i s h b o n e 总线是一种简单、灵活的片上总线，非常适用于普通片上系统的开发。其只规范 了i p 核的接口标准，对i p 核内部没有任何要求，接口实现占用资源少，并且可 以自定义仲裁。可支持多种互连方式，包括有点对点、数据流、共享总线和交叉 开关。 i p 核复用是片上系统设计的前提，本论文按照规范的设计规则和设计流程设 计了常用的数字处理i p 核，包括与p i c l 6 c 5 x 指令相兼容的8 位m c u 、 g p i o w i s h b o n e 接口、i i c w i s h b o n e 接口、i s p w i s h b o n e 接口和 u r a t - w i s h b o n e 接口。 本论文所设计的8 位m c ui p 核实现了美国m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 x 系 列的3 3 条指令集。通过对指令的分析，设计了一种基于f p g a 的体系结构。在 同一的模块实现和解决了系统中时钟和复位信号的同步问题；同时着重分析了跳 转指令的实现和片内存储器的实现，跳转指令特别是条件跳转指令首先要进行条 件判断，根据判断情况作出不同的操作选择；片内存器充分利用了x i l i n xi s e 开发工具所提供的r a m 模块，该模块支持x i l i n xf p g a 芯片中的块状r a m 。 最后以w i s h b o n e 总线接口标准对m c ui p 的三组i o 进行了划分。 广东工业大学_ t 学硕士学位论文 论文最后采用共享总线的连接方式，设计总线控制器，并将各i p 核集成为 一个片上系统。 论文中所涉及到的设计，无论是单i p 核还是集成后的片上系统，都经过了 综合优化、时序分析、功能仿真等，结果分析表明i p 核和s o c 均达到了设计目 的。 关键字：可扩展，片上系统，w i s h b o n e 总线，i p 核复用 a b s t r a c t a b s t r ac t t m sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe x t e n s i b l ef p g as o cb a s e do nw i s h b o n e ，w h i c h f u n c t i o ni s e a s yt ob ee x t e n d e d n l ed e s i g n i sd e s c r i b e db yv e r i l o gv h l ，a n da l s o i m p l e m e n t e di nt h ex i l i n xf p g ac h i p o nt h i sp a p e r , i tf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs y s t e m o n - a - c h i p ，a n da l s oa n a l y s e s t h ep r o b l e m so fd e s i g n i n gs o cb a s e do nf p g a ，e s p e c i a l l y , o n - c h i pb u sa n di pc o r er e u s e i tf i r s ta n a l y s e st h ee x t e n s i b l ep r o b l e mo fs c m a p p l i c a t i o ns y s t e m ，a n ds u b m i t sa s o l u t i o n b a s e do nf p g a a n dt h e ni ti n t r o d u c e st h ew i r e l e s ss e n s o rn o d ea n dd e s i g nae x t e n s i b l es o c b a s e do nf p g a w h i c hi su n d e r 厂i s h b o n es t a n d a r d t h i ss o cs y s t e mm a k e su po fa8 - b i t m c ua n ds o m ep e r i p h e r a le q u i p m e n tc o n t r o l l e ri pc o r e 。t i l i ss y s t e mc a r lb ee x p a n dt o16 s l a v e s b u s o nac h i pi st h ek e yo fi n t e r c o n n e c t i n gd i f f e r e n ti pc o r e st os o c ，a l s oi st h e f o u n d a t i o no fr e - u s ei pc o r e n l i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ec o m m o nb u s e s o n ac h i p ， e s p e c i a l l yw i s h b o n eb u sw h i c hi sas i m p l e ，f l e x i b l ea n dp o r t a l b es y s t e mb u s i td e f i n e st h e s t a n d a r dd a t ae x c h a n g eb e t w e e ni pc o r em o d u l e s i td o e sn o ta t t e m p tt or e g u l a t et h e a p p l i c a t i o ns p e c i f i cf u n c t i o n so ft h ei pc o r e i tr e q u i r ef e wl o g i c s a n dt h ea r b i t r a t i o n m e t h o d o l o g yi sd e f i n e db yt h ee n du s e r v a r i a b l e c o r ei n t e r c o n n e c t i o nm e t h o d ss u p p o r t p o i n t t o p o i n t ，s h a r e db u s ，c r o s s b a r s w i t c h ，a n ds w i t c h e df a b r i ci n t e r c o n n e e t i o n s i pc o r er e u s et e c h n o l o g yi st h ef o u n d a t i o no fd e s i g n i n go fs o c a l li pc o r e si nt h ep a p e r a r e d e s i g n e db y s t a n d a r dr u l ea n d f l o w , i n c l u d i n g 8 一b i tm c uc o m p a t i b l ew i t h p i c16 c 5 x ，g p i oc o n t r o l l e r , i i cc o n t r o l l e r , s p ic o n t r o l l e r , a n du a i 盯c o n t r o l l e r o nt h i sp a p e r , i ti n t r o d u c e st h ed e s i g no f8 - b i tm c ui pc o r ew h i c hi n s t r u c t i o ni s c o m p a t i b l ew i t hp i c 16 c 5 x a f t e ra n a l y z i n gt h ei n s t r u c t i o na n df r a m e ，i ti m p l e m e n tt h e s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nc l o c ka n dr e s e ts i g n a l si nt h es a m em o d u l e i tc o m p l e t e sj u m p i n g i n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec o n d i t i o nj u m p i n gi n s t r u c t i o nb yj u d g i n gt h ec o n d i t i o nt od e c i d e t h eo p e r m i o n i ti n s t r d u c e st h ed e s i g no fr a mm o d u l eb yx i l i n xi s ed e v e l o pt o o l ，w h i c hi s s u p p o r tt h eb l o c kr a mo fx i l i n xf p g ad e v i c e i nt h ee n d ，i ts t a n d a r dt h e i o p o r tb y s h b o n e 1 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 f i n a l l yi nt h i sp a p e r , a l lt h ei pc o r e sa r ec o n n e c tt oas o c 、 ，i t ht h ew a y o fs h a r eb u s a l lt h ei pc o r e si nt h ep a p e r , n o to n l ys i n g l ei pc o r eb u ta l s os o c ，h a v eb e e ns y n t h e s i s e d ， o p t i m i z e d ，s t a t i ct i m i n ga n a l y z e r , f u n c t i o ns i m u l a t e ，e t c t h er e s u l ti n d i c a t ea l lt h ed e s i g n sa r e o k k e y w o r d s ：e x t e n s i b l e ，s o c ，w i s h b o n eb u s ，i pc o r er e u s e i v 广东工业大学工学顾十学位论文 独创性! 声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 | 敝储辩：名哗 j 指导刻磁字亳娟呻 乒衅年锄沙日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着集成电路工艺技术和e d a 技术的不断发展，嵌入式系统逐渐由板级向 芯片级设计过渡，即片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 。s o c 设计技术始于2 0 世 纪9 0 年代中期，国内外学术界一般倾向将s o c 定义为将微处理器、模拟i p 核、 数字i p 核和存储器集成在单一芯片上【。它将系统的主要功能集成到一地块芯片 中，本质上是做一种复杂的i c 设计【：】。 s o c 根据应用范围可以分为两种类型，一种是专用s o c 芯片，是专用集成电 路( a s i c ) 向系统级集成的发展。另一种是通用s o c 芯片，将绝大部分部件，如 m c u 、d s p 、r a m 、i o 等集成在芯片上，同时提供用户设计所需要的逻辑资源 和软件编程所需的软件资源。 s o c 的典型结构如图i 1 。 图1 1 片上系统典型结构 f i g u r e1 - 1t y p i c a lf r a m eo fs o c 组成部分主要包括： 微处理器和片内存储器系统 提供数据路径的片上总线( 高速和低速部分) 片外存储器控制器 广东工业大学工学硕士学位论文 定时和中断控制器 通用i o ( g p i o ) 接口 u a r t ( 通用异步收发器) 接口 用户自定义i p 模块 作为s o c 不可或缺的组成部分硅知识产权( i p ) ，已经成为i c 产业中增长 最快的一部分。在集成电路设计中，i p 指可以重复使用的具有自主知识产权功能 的集成电路设计模块。据d a t a q u e s t 公司的调查结果显示，1 9 9 8 年i p 的销售额 为3 6 亿美元，1 9 9 9 年全球i p 市场规模为4 2 亿美元，2 0 0 0 年这一数字为6 2 亿美元，到了2 0 0 4 年销售总额急增到2 9 4 亿美元，预计今年i p 的销售额将达 3 4 7 亿美元【3 】。我们再来看下整个i c 产业的形势，根据电子工程专辑2 0 0 6 年的 调查，中国i c 设计公司中，进行s o c 设计就有5 9 ，单基于p l d f p g a 设计的 有1 7 t 4 1 。据毕马威会计事务所( k p m gl l p ) 的研究报告指出，2 0 0 7 年全球i c 产 业将呈现良好的发展势头，年度收入将会比去年提高1 0 f 5 】。另一方面，复杂可 编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门陈列( f p g a ) 集成度和速度不断提高， 功能不断增强，使用高性能的e d a 综合开发工具和硬件描述语言，根据产品的 特定工求在短时间内设计出性价比高的s o c 已成为现实。 由于i p 核应用范围的不断推广和市场的急剧扩大，许多大的集成电路设计 制造厂商都提供自己的i p 核，包括许多微处理器的生产厂商。这也使得a r m ， m i p s 和s y n o p s i s 成为最大的i p 核供应商。c p l d ( 复杂可编程器件) 和可编程 逻辑阵列( f p g a ) 的迅猛发展更加拓宽了i p 核的适用范围。由于i p 核可以几 乎不要进行改动的运用到c p l d 和f p g a 当中，这使得c p l d 和f p g a 成为i p 核的主要应用领域。c p l d f p g a 厂商提供了种类繁多的i p 核来满足不同的要求。 例如，x i l i n x 公司一共提供了2 0 0 多个i p 核。这些i p 核有些是f p g a 厂商自己 设计的，有些是由微处理器厂商提供，还有的是由第三方设计的。 由于各类i p 核的接口不同，同时各设计者在即使在设计相同功能的i p 核， 接口规则也不相同。为了使设计千差万别的i p 核能够相互连接成片上系统s o c ， 片上总线( o n c h i pb u s ) 成为了片上系统的关键之一【s 】。通过片上总线，规范i p 核的接口，以便连接各i p 核。目前，业界比较常用的几种片上总线分别是i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、a r m 公司的a m b a 、s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 和a l t e r a 公司的a v a l o n 。 2 第一章绪论 片上总线主要有如下特点： 1 、主从式结构：可支持多个主设备，各个主设备可以同时与不同的从设备 进行数据交易，以提高数据吞吐率。比如，w i s h b o n e 总线的交叉开关互联方 式，这是把通信领域的技术用于片上总线的一个好的范例。这也是片上总线较传 统微机总线的最大优点之一。 2 、流水线方式：在批量数据交易时，即当前的地址与上一次的数据交叠在 一起，从而实现一个时钟周期传送一次数据。这样就可以实现一个时钟周期完成 一次数据交易。 3 、尽可能地简单：首先结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单元；其次 时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与i p 核连 接的复杂度。 4 、具备有较大的灵活性：由于片上系统应用广泛，不同的应用对总线的要 求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和地址宽 度都可变，如x b u s 支持3 2 位6 4 位数据总线宽度；其二，部分片上总线的互 连结构可变，如w i s h b o n e 总线支持点到点、数据流、共享总线和交叉开关四 种互连方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如w i s h b o n e 总线的 仲裁机制可以完全由用户定制。 5 、尽可能降低功耗：在实际应用时，总线上各种信号尽量保持不变，并且 多采用单向信号线，降低了功耗，同时也简化了时序。上述几种片上总线输入数 据线和输出数据线都是分开的，且都没有信号复用现象 6 】。 我国i c 产业在十五期间获得了快速的发展，从2 0 0 0 年到2 0 0 4 年，投入到 我国i c 产业建设的资金超过1 4 0 亿美元，是过去3 0 多年投资总和的4 倍。集成 电路销售额由2 0 0 0 年的1 8 6 2 亿元提高到2 0 0 4 年的5 4 5 3 亿元，年均增长速度 达到4 0 1 ，产业规模在五年间扩大了三倍，在世界集成电路产业中所占份额也 由1 2 提高到3 7 。单就我国i c 设计业而言，集成电路设计企业从2 0 0 0 年的 8 1 家增长到2 0 0 4 年的4 2 1 家，销售额由2 0 0 0 年的1 1 亿元增长到2 0 0 4 年的8 1 亿元【7 】。 i p s o c 设计技术是我国提升设计水平、发展集成电路产业不可多得的历史机 遇，i p 核技术是我国i c 设计业的一个重要突破口，国家采取一系列的措施来促 进i p s o c 的发展，2 0 0 2 年信息产业部成立了集成电路i p 核标准工作组；2 0 0 4 3 广东工业大学工学硕士学位论文 年国家i p 核库正式启用；2 0 0 5 年由信息产业部软件与集成电路促进中一i 二, ( c s i p ) 、 大唐微电子、神州龙芯等8 家单位发起的中国硅知识产权产业联盟( 中国i p 联盟) 正式成立 7 】，等等。 1 - 2 片上系统的发展与现状 随着半导体技术的发展，可编程逻辑器件的门电路数目不继突破，性能也不 断提高。比如，到目前x i l i n x 公司最新的v e r i t x 5 系列器件x c 5 v l x 3 3 0 t 的逻 辑单元达到了3 3 万多个，r a m 资源达到11 m b i t ，同时集成了d s p 、1 0 0 0e t h e r n e t m a c 等高速数据处理硬i p 核【8 】。在如此高性能的可编程逻辑器件上实现复杂的 数据处理系统已成为现实。 片上系统是当今集成电路的发展趋势，是解决电子应用产品开发中上市时间 的主要技术和方法。s o c 的概念是在2 0 世纪9 0 年代提出的 9 】。当时随着电子设 计技术的发展，出现了现在的电子设计自动化( e d a ) ，把电子设计从原理图提 高到行为描述，也就是i p 核的设计和基于复用i p 核的片上系统设计。 s o c 设计方法目前主要有两种：一是结合自项向下与自底向上的系统设计方 式，另一是基本设计平台的设计方式【l o 】。前一种方式设计者可以根据所设计的系 统灵活选择系统结构和i p 核，在成本、功耗和性能上有一定的优势，但风险也 较高。后一种方式，如x i l i n x 公司的e d k 平台，在这种方式设计中，可以充 分利用平台公司所提供的软硬i p 核和休系结构设计系统，所以设计的时间也较 短，风险也较低，但需要购买相关的软硬i p 核。 1 3f p g a 片上系统现存的主要问题 1 、总线架构问题 片上系统设计的基础是i p 核，这些i p 核可以是自己所开发的，也可以是由 专门供应商所提供。要把这些来自于不同设计者i p 核集合组成一个片上系统， 就需要统一这些i p 核的接口信号。要把不同的i p 核集合成系统就像微机体系结 构那样，需要由专门的总线将不同的i p 核连接起来 i q 。在片上系统中，这总线 称为片上总线，片上总线不仅规定了总线结构、通讯方式和仲裁等，还规定了总 线的接口标准。通过统一的接口，就可以将不同的i p 核连接成片上系统。 4 第一章绪论 目前片上总线还处于发展阶段，还没有统一的标准，不少大开发商和组织都 推出有自己的总线标准，谋求在s o c 中占有一席之位。其中比较有影响的有：i b m 的c o r e c o n n e c t t m 、a r m 的a m b a 、a l t e r a 的a v a l o n 和s i l i c o r e 的w i s h b o n e 。 2 、i p 核开发和复用问题 i p 核是片上系统的基础，直接决定了片上系统的性能，包括面积、延时和功 耗等，决定了所开发的产品的市场竞争力。片上系统开发从i p 核开始，这些i p 核模块可以是自己开发或者购买。但不管是怎样，i p 核都应良好的开发文档和参 考手册，并按照可复用的设计流程进行设计，如图1 2 ，i p 核的设计过程【1 1 1 。 图1 2i p 核设计流程图 f i g u r e l 2f l o wc h a r to fd e s i g n i n gi pc o r e 3 、软硬件协同问题 当系统模块确定后，可以确定系统哪部分功能由硬件实现，哪部分由软件实 现，这一过程需要有丰富的设计经验，能够在芯片性能与代价之间作出合理的折 衷，同时确定软硬件间的接口。 1 4 课题研究的意义及主要内容 在嵌入式领域，应用是千变万化的，市场上现有的器件不一定完全满足应用 的要求，功能、成本、体积、技术难度、推向市场时间等诸多因素都使得嵌入式 领域的大部分开发面临无法完全应用现有器件的难题。因此，系统设计者不得不 5 广东工业大学工学硕士学位论文 设计与本系统相匹配的专有逻辑，来满足特定的需求m ，。 本课题拟采用f p g a 的技术来实现可扩展片上系统的设计，体系结构如图 1 3 ，由一个8 位m c ui p 软核和常用外设控制器i p 软核等，i p 核接口将采用 w i s h b o n e 总线标准。本系统利用w i s h b o n e 总线架构，采用共享总线的方式 将各个i p 核集成为一个片上系统。 s h t 7 xc c 2 4 2 0 z 7 、土么、 r o mr a m p i c l 6 c 5 x 兼容 m c u r a m 弋夕弋7 c - w 1 s h b o n es p l - w l s h b o n e l 看门狗ll 定时器l 接口接口 彳彳彳 总线控制i 之乡 弋乏一七乡 y 弋 七乡 l c d - w i s h b o n eg p i o - w i s i - t b o n eu a r t w s h b o n e 接口接口接口 z ?么土 弋。7弋。7 f 数码管li 键盘i l m a x 2 3 2 l 图1 3 体系结构 f i g u r el - 3s y s t e mf r a m e i p 核的复用技术是s o c 的关键技术之一，如何设计和集成可复用i p 是加快 s o c 发展的关键处在。在业界较大影响的三大片上总线【1 3 】中，本设计将采用开放 硬件组织o p e n c o r e s t 】选为标准片上总线标准的w i s h b o n e 总线【1 5 】，该总线协议 简单，具有多种互连方式式，不仅支持高速i p 核间相连，还支持高低速i p 核间 的相连。 1 5 本文组织 本文主要阐述了基于f p g a 片上系统的研究和设计，通过选择合适的总线系 统、确定总线接口，将所设计的各i p 核集成一个常用的传感器控制模块。主要 内容如下： 第一章：绪论，介绍了片上系统的发展和进行片上系统设计的主要问题。 6 第一章绪论 第二章：研究基础，主要介绍了片上总线和可复用i p 核设计方法。 第三单：可扩展片上系统总体设计，主要分析了单片机应用系统的可扩展问 题，并提出了基于f p g a 的解决方案。然后简单介绍了无线传感器节点，采用 w i s h b o n e 片上总线架构设计了一种易扩展的f p g a 片上系统，该系统由一个8 位的m c ui p 核和多个外设控制器i p 核组成，系统支持扩展多达1 6 个不同接口 类型的外部设备。 第四章：可复用数字处理i p 核的设计，主要介绍了与p i c l6 c 5 x 指令相兼 容的m c u 的设计和常见外设接口的设计。 第五章：实例控制系统的集成与实现，主要简单介绍了共享总线控制模块的 设计和系统的综合验证和配置。 7 第二章研究基础 2 1 片上总线 2 1 1 常见片上总线 第二章研究基础 片上系统的设计就是将各种所需功能的i p 核，集成到一个芯片中用。由于 i p 核的设计千差万别，i p 核的连接就成为构造s o c 的关键。片上总线( o n c h i p b u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现i p 核之间数据通信。在本小节主要介绍目前s o c 系统中使用较多的四种片上总线 标准，包括i b m 的c o r e c o n n e c t t m 、a r m 的a m b a 、a l t e r a 的a v a l o n 和s i l i c o r e 的w i s h b o n e 。 c o r e c o n n e c t t m 是由i b m 开发的片上总线通讯链路，它使多个源的芯片核相 互连接成为一个完整的新芯片核。c o r e c o n n e c t 技术简化了集成，并且在标准产 品平台设计中重复使用处理器、系统以及外设核，从而实现了更高的系统性能。 c o r e c o n n e c t 总线架构包括处理器本地总线( p l b ) 、片上外设总线( o p b ) 、1 个总线桥接器、两个仲裁器和1 个设备控制寄存器( d c r ) 总线1 1 6 。如图2 1 所 示，举例了如何使用c o r e c o n n e c t 总线将各种外备集成到以p o w e r p c 4 4 0 为基础 的s o c 。下面分别介绍p l b 、o p b 和d c r 的主要技术特征【1 7 】。 图2 1 基于c o r e c o n n e c t 总线的片上系统 f i g u r e 2 1c o r e c o n n e c tb a s e ds y s t e m o n - a c h i p 9 广东工业大学工学硕士学位论文 1 、p l b c o r e c o n n e c t 总线中的p l b 总线是一种专为要求处理速度快，实时性强等高 要求设备间通信设计的，比如高速c p u 、d s p ，高速存储控制器，高速d m a 控 制器等，都可以连接到p l b 总线上，实现高性能的数据处理和管理等。p l b 总 线主要有如下特点： 支持多种主设备和多种从设备 支持多种仲裁算法的四级优先权 通过强迫从设备重仲裁避免死锁 主设备通过仲裁锁机制来驱动微操作 支持字节使能，非对准传输 支持字节、半字、字、双字连续突发传输模式 支持16 、3 2 和6 4 位数据传输 支持读字地址能力，允许从设备将数据转换为连续或目标字 支持各种d m a 可防御从设备储存传输预先读取指令或数据 记录从设备错误 数据总线可扩展到2 5 6 位 同步传输模式 2 、o p b c o r e c o n n e c t 总线中的o p b 总线是通过减少p l b 负担来提高系统性能的另 条系统总线。一般地低性能的设备都连接在o p b 总线上，比如串口，并口， u a r t ，g p i o ，定时器等低带宽外设备一般都连接在o p b 总线上。o p b 总线主 要有如下特点： 3 2 位的地址、数据总线 同步 动态支持字节、半字和字的传输 支持突发( b u r s t ) 传输模式 支持多种主设备 延迟和隐藏仲裁 3 、d c r 1 0 第二章研究基础 c o r e c o n n e c t 总线中的d c r 总线ds ) 是为d c r 主设备( 比如c p u 的通用寄存 器) 和d c r 从设备的控制寄存器之间传输数据而设计的。该总线提高了p l b 数 据带宽，减少访问寄存器的延迟，同时取消了内存地址映射的配置寄存器。d c r 总线主要有如下特点： 支持1 0 3 2 位的地址总线 3 2 位数据总线 可扩展最少四周期读写 支持基于握手协议的异步传输 多主设备仲裁 从总线超时制止能力 支持特权传输 支持串并行总线 接口简单适应性强 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t c t u r e ) 总线规范是a r m 公司设计 的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准。它独立于处理器和制造工艺技术，增 强了各种应用中的外设和系统单元的可重用性【】。a m b a 总线是一个多总线系 统，a m b a 2 0 规范中定义了三种可以组合使用的不同类型的总线： a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r p h e r a lb u s ) 。该规范引入的高性能总线a h b 是现阶段a m b a 实 现的主要形式。 a m b a 2 0 规范中的a h b 总线适用于连接高性能的和高时钟频率的系统模 块。它主要用于连接高性能和高吞吐量的设备，如c p u 、片上存储器、d m a 设 备和协处理器等。作为高性能系统的骨干总线，a h b 可以对接口和互连均进行 定义，并可以在任何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。 a m b a 2 0 规范中的a s b 总线适用于连接高性能的系统模块。它的读写数据 总线采用的是同一条双向数据总线，可以在某些高速且不必要使用a h b 总线的 场合作为系统总线，可以支持处理器、片上存储器和片外处理器接口及与低功耗 外部宏单元之间的连接。 a m a b 2 0 规范中的a p b 总线适用于连接低功耗的外部设备模块。它是一个 经过优化的可以减少系统功耗和降低外接口设计复杂度的外设总线，a p b 总线可 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 连接在a h b 和a p b 系统总线上。 a v a l o n 总线是a l t e r a 公司设计的用于s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ， 可编程片上系统) 中，连接片上处理器和其它i p 模块的一种简单的总线协议， 规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序。 a v a l o n 总线的主要设计目的如下： 简单性，提供一种非常易于理解的协议 优化总线逻辑的资源使用率，将逻辑单元保存在p l d ( p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 中 同步操作，将其它的逻辑单元很好地集成到同一p l d 中，同时避免复 杂的时序 传统的总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。 这种结构会产生一个瓶颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。 a v a l o n 总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁( s l a v e s i d ea r b i t r a t i o n ) 的技 术，允许多个主设备控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备 时，从设备仲裁器将决定哪个主设备获得访问权。a v a l o n 总线主要特性如下： 3 2 位寻址空间 支持字节、半字和字传输 同步接口 独立的地址线、数据线和控制线 设备内嵌译码部件 支持多个总线主设备，a v a l o n 自动生成仲裁机制 多个主设备可同时操作使用一条总线 可变的总线宽度，即可自动调整总线宽度，以适应尺寸不匹配的数据 提供了基于图形界面的总线配置向导，简单易用 2 1 2w i s h b o n e 总线的介绍 w i s h b o n e 总线规范最先是由s i l i c o r e 公司提出，现在己被移交给 o p e n c o r e s 组织维护。由于其具有开放性的特点，目前已经有不少的用户群体 w i s h b o n e 总线规范的目的是作为一种i p 核之间的通用接口，因此它定义了一 套标准的信号和总线周期，用以连接不同的模块。w i s h b o n e 总线结构十分简 1 ， 第二章研究基础 单，它仅仅定义了一条高速总线。在一个复杂的系统中，可以采用两条 w i s h b o n e 总线的多级总线结构，其中一条用于高性能的系统部分，一条用于 低速的外设部分，两者之间添加一个接口，该接口实现较简单。 w i s h b o n e 总线有很强的灵活性。i p 核的灵活性，使得其间的连接没有统 一的方式。在w i s h b o n e 总线协议中提供了四种不同的i p 互连方式：点到点 ( p o i n t t o p o i n t ) ，用于两个i p 核的直接互连；数据流( d a t af l o w ) ，用于多个 串行i p 核之间的数据并发传输；共享总线( s h a r e db u s ) ，用于多个i p 共享一 条总线；交叉开关( c r o s s b a rs w i t c h ) ，同时连接多个主从部件，提高吞吐量；此 外还提供一种片外连接方式，可以连接到以上任何一种互连网络中。如可以将两 个有w i s h b o n e 接口的不同芯片之间用点到点的方式进行连接。 由于w i s h b o n e 总线的简单性和可移植性，它的应用领域非常广泛。它可 以应用于简单的嵌入式控制器中和一些高速系统中。但是在高性能的系统中，它 往往不能准确地从多个执行程序中终止相应的单个执行程序。 w i s h b o n e 总线架构 z 9 1 为片上系统设计解决了一个非常基本的问题，那就 是怎样简单、灵活、轻便地将购买回来或自己开发的i p 核集成在一块。在 w i s h b o n e 总线的协议下，i p 核就是系统中的功能建模，包括各种各样的功能， 比如微处理器、串口、磁盘接口和网络控制器等等。一般情况，i p 核是由不同的 人开发，再由第三方系统集成者将这些不同的i p 核集成在一块和进行测试。 w i s h b o n e 为系统集成者提供了标准i p 核接口，简化了i p 核的连接，因而简化 了片上系统的集成。 w i s h b o n e 采用主从结构，即m a s t e s l a v e 结构，由主部件( m a s t e r ) 发起每次与从部件( s l a v e ) 之间的数据传输。w i s h b o n e 总线结构中除了 m a s t e s l a v e 外，还有内部连接模块( i n t e r c o n ) 和系统模块( s y s c o n ) 。 s y s c o n 是w i s h b o n e 的一个系统模块，用来产生r s t 复位信号和c l k 系统 时钟信号。i n t e r c o n 定义为m a s t e r 和s l a v e 之间通讯所需的电路，可以 很形象地用一朵充满电路的云来形容，如图2 2 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2w i s h b o n e 互联 f i g u r e 2 2t h ew i s h b o n ei n t e r c o n n e c t i o n w i s h b o n e 灵活的连接方式允许系统集成者选择i p 核之间的连接方式， w i s h b o n e 总线提供了四种连接方式，包括： 点对点( p o i n t t o p o i n t ) 数据流( d a t af l o w ) 共享总线( s h a r e db u s ) 交叉开关( c r o s s b a rs w i t c h ) 点对点互联是最简单的两个i p 核互联方式，如图2 3 所示，它允许一台主 设备和一台从设备相互通信。比如，主设备可以是一个处理器i p 核，从设备可 以是一个串行i 0 端口或者存储器。 w i s h b o n e 硼s o n e m a s t 职s l a 图2 3 点对点互联 f i g u r e 2 - - 3t h ep o i n t - t o - p o i mi n t e r c o n n e c t i o n 数据流互联方式主要应用于数据是顺序处理的情况下，如图2 - 4 所示，在这 种结构的每一个i p 核都有主接口和从接口，数据从一个核流向另一个核，这个 过程也就是常说的“流水线”。 数据流互联方式因采用平行处理数据而提高了执行速度。例如，如果用图 1 4 第二章研究基础 2 4 所示的三个i p 核作为浮点处理器，比单个i p 核处理速度可以提高近三陪。 譬蚕；lx譬i蚕 儿 ；| | | ；霎il 盅骂毒 高呈舞呈 删脚t 订唧 州伽 d i r e c t i o no f d a t af l o w 图2 4 数据流互联 f i g u r e 2 4t h ed a t af l o wi n t e r c o n n e c t i o n 共享总线互联如图2 5 所示，它适合于系统中有两台或者多台主设备需要与 一台或者多台从设备通信的场合。在这种互联方式下，主设备通过对从设备初始 化总线周期来进行主从设备的数据通讯。主设备怎样和何时访问共享总线是由 仲裁器来决定的( 仲裁器在图中没有画出来) 。同样这个仲裁器是完全由系统集 成者设计的，例如可以用固定优先权或循环仲裁等。 它们通过共享的总线进行通信。其好处是结构紧凑，节省布线资源；缺点是 主设备希望与特定从设备通信可能需要等待。主设备在需要与一台从设备通信 时，需要先向仲裁器申请总线占有权。获得允许后开始占用总线并与上校从设备 开始通信，通信结束后释放总线。当多台主设备同时希望点有总线时，仲裁器通 过一定的优先级逻辑分配总线使用机会。 图2 5 共享总线互联 f i g u r e 2 5t h es h a r e db u si n t e r c o r m e c t i o n 交叉开关互联方式主要应用于两个或更多个主设备可以同时访问从设备的 情况下。如图2 - 6 所示，主设备通过初始总线周期选择从设备。主设备访问从设 备的方式和时间由仲裁器决定( 图中未画出仲裁器) ，跟共享总线不同的是，交 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 叉开关互联方式允许多个主设备同时使用互联模块，但一个从设备不可以被多个 主设备同时访问。 在这种方式下，每个主设备通过开关仲裁获得一个“信道”，一旦主、从设 备之间的“信道”建立，就有一条专用的通信链路来传输数据。 图2 - 6 交叉开关互联 f i g u r e 2 6t h ec r o s s b a rs w i t c hi n t e r c o n n e c t i o n 2 1 2w i s h b o n e 总线接口 下面简单介绍w i s h b o n e 接口信号线，其中有些信号线在应用中是可选的。 s y s c o n 模块信号线： c l k o 时钟输出信号线，由s y s c o n 模块产生该信号。是主从设备时钟 信号的来源。 r s t o 系统复位信号线，由s y s c o n 模块产生，是整个系统的复位信号来 源。 主从设备公共信号线： c l k - i 时钟输入信号线，。上升沿触发，输出数据在c l k i 上升沿时写入输 出寄存器，输入数据应该在c l k - i 上升沿前达到稳定。 d a t _ i 数据输入信号线，最大为6 4 位。 d a