（电工理论与新技术专业论文）8086单芯片计算机显示接口技术的研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fd i s p l a yi n t e r f a c e f o r8 0 8 6c 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 lc o m p u t e r m a i n b o a r di n t oas i n g l ec h i pa sm a n ya sp o s s i b l e t h i st e c h n i c a lr e n o v a t i o nb r i n g st h e c o m p u t e rh a r d w a r es y s t e mw i t hb e t t e rp 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 d l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n d i s p l a yi n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nt h ec o ch a sl o t so fp o s i t i v e m e a n i n gf o re x p a n d i n gt h ec o ct h e o r y ，c o m p l e t i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n da c h i v i n g h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni nc o c r e s e a r c h e si nt h i sd i s s e r t a t i o na r eb a s e d o nt h ep r o j e c t o ft h e8 0 8 6c o m p u t e r - o n - a - c h i p b a s e do nt h ei p s o cd e s i g nm e t h o d o l o g ya n dt h e c o m p u t e ra r c h i t e c t u r ew i t h8 0 8 6c p u ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t sat e s te q u i p m e n tf o r c o c f u r t h e rm o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n so n ed i s p l a yi n t e r f a c em o d u l eb a s e do nt h ec o c p l a t f o r mw i t ht h ed i s p l a yt e c h n o l o g yi nc o m p u t e r t h e n ，t h ei n t e g r a t i o na n dv e r i f i c a t i o no f t h i sf u n c t i o n a lc i r c u i ti sp e r f o r m e do n8 0 8 6c o m p u t e r o n - a c h i pp 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 b u i l d i n ga n8 0 8 6c o m p u t e r o n a - c h i ps i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nt h er e s e a r c h o fc o ct h e o r y ； 2 b a s e do nt h e8 0 8 6c o cp l a t f o r m ，d e s i g n i n ga n di n t e g r a t i n gt h ed i s p l a yi n t e r f a c e ， w h i c hi n c l u d et h ed m at r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，s d r a mf o rs t o r a g i n gg r a p h i c d a t aa n dv g a d i s p l a yp o r t ； 3 c o m p l e t i n gr t l l e v e ls i m u l a t i o no ft h i sd i s p l a yi n t e r f a c em o d u l eb a s e do nt h e 8 0 8 6c o cp l a t f o r m ； 4 d e s i g n i n ge x p e r i m e n t sf o rd i s p l a yi n t e r f a c eb a s e do nt h e8 0 8 6c o cp l a t f o r m ， a n dt h ew h o l es y s t e mf p g ap r o t o t y p ev e r i f i c a t i o ni sp e r f o r m e do nt h ea l t e r a d e 2e v a l u a t i o nb o a r d k e y w o r d s ：c o m p u t e r - - o n - a - c h i pb a s e do n8 0 8 6c p u ；d i s p l a yi n t e r f a c e ；v g a ；d m a t r a n s m i s s i o n ；v r a m 插图清单 图1 1 单芯片计算机芯片级架构设想框图1 图2 18 0 8 6 单芯片计算机架构图“ 图2 2 项目实验用8 0 8 6 单芯片计算机平台框图1 2 图2 38 0 8 6 单芯片计算机显示接口蘑块基本方框图1 4 图2 4s d r a m 存储器结构信号图1 5 图2 5 显存像素信息映射图1 7 图2 - 62 种标准v g a l 5 针插头1 7 图2 7v g a 显示行同步信号时徐图1 8 图2 8v g a 显示场同步信号时序图1 9 图2 - 9 单芯片计算机显示接口i p 软核设计流程图2 0 图3 18 0 8 6 单芯片计算机显示接口整体架构图2 4 图3 28 0 8 6 单芯片计算机显示接口工作流程图2 5 图3 3 系统总线上的基本传输2 5 图3 4 系统总线上的延时传输2 6 图3 5 系统总线上的连续传输2 6 图3 - 6 系统总线上的传输类型2 7 图3 7 字位宽的4 拍猝发传输时序图2 8 图3 8 系统总线从设备回复时序图一2 9 图3 - 9 基本d m a 控制器方框图2 9 图3 1 0d m a 工作流程3 0 图3 1 1d m a 显示传输通道3 1 图3 1 2d m a c 接口示意图3 2 图3 1 3d m a 传输架构3 3 图3 1 4d m a 控制器的逻辑方框图3 4 图3 1 5d m a 控制器模块划分结构图3 4 图3 1 6d m a 从端接口状态机一3 8 图3 17d m a 主端接口状态机3 9 图3 1 8 系统总线一d m a 控制器整体状态机一4 2 图3 1 9 通用f i f o 基本结构框图4 3 图3 2 08 0 8 6 单芯片计算机s d r a m 存储单元4 4 图3 2 2 针对s d r a m 读指令的重叠优化4 6 图3 2 1 基本s d r a m 控制器结构框图4 7 图3 2 3s d r a m 接口模块状态机4 8 图3 2 4v g a 显示端口4 9 图3 2 5v g a 控制器结构框图4 9 图3 2 6 行场同步状态机5l 图4 1 仿真验证测试平台5 3 图4 2 参考模块测试方法一5 4 图4 3 显示接口i p 测试平台5 6 图4 4 调用片内r o m 、r a m 验证流程5 7 图4 5 显示接口模块测试仿真波形5 9 图4 6 软硬件协同验证平台结构6 0 图4 7d e 2 验证平台6 l 图4 8d e 2 验证平台模块图6 1 图4 - 9 显示接口模块f p g a 原型验证效果图1 6 2 图4 1 0 显示接口模块f p g a 原型验证效果图2 6 3 表格清单 表2 18 0 8 6c p u 和系统总线关键控制信号1 3 表2 28 0 8 6c p u 中断和d m a 接口信号1 4 表2 3v g a 插座信号定义1 8 表2 4v g a 控制信号时序2 0 表3 1 系统总线上的传输方式2 7 表3 2 系统总线传输位宽2 8 表3 3d m a 控制器控制端接口信号3 2 表3 4d m a 控制器内部寄存器3 5 表3 5 通道一状态控制寄存器3 6 表3 - 6 通道二控制寄存器3 7 表3 7d m a 控制器地址递变值一4 0 表3 8d m a 控制器总线接口信号4 1 表3 - 9s d r a m 控制器总线控制接口信号4 8 表3 1 0v g a 显示水平时序计数5 0 表3 1 1v g a 显示垂直时序计数5 1 表4 1 测试平台软件组成伪码一5 6 表4 2c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 器件可利用资源表6 2 x 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注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金墨三些盘鲎 或其它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所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明并表示谢意。 学位作者签名：，南i 晶i i i i i i i ：矽口7 年辱月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金盟三些盘堂 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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金韭 墨些盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：响晶 ! i i ! i i i i i i ：矽d c l 年年月1 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i 导师签名： 签字日期：2 口d 7 年4 月1 1 日 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。高老师不仪学识渊 博，治学严谨，而且对待科研一丝不苟，他对学生的谆谆教诲都深深地记在我 的心中。高老师平易近人的工作作风和甘为人梯的崇高品德是我今后人生道路 上为人处事和工作学习的楷模。 感谢倪伟老师在项目研究和学习过程，以及在我论文写作过程中所给予的 耐心指导和极大帮助。 感谢合肥工业大学微电子设计研究所的林微、邓红辉、贾靖华、宋宁鲲、 张多利、杜高明、尹勇生等老师，感谢他们给我学习上的帮助和生活上的关心。 感谢孙璐、舒展、张永志、果鹏、杨骏、邓惠娟等同学在8 0 8 6 项目组中的 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。 感谢我的父母及亲友对我学习和生活的关心、帮助和支持。 最后衷心感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们! v 作者：陶晶 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 随着科技的发展，电子计算机已经渗透到了社会的各个角落，而计算机技 术的每一次进步都会给人类生产生活水平带来极大的提高。纵观计算机发展的 历史进程，集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业是推动其拓展创新的重要因 素之一。 1 1 单芯片计算机研究背景 从19 4 7 年第一支半导体晶体管的诞生，到1 9 5 9 年发明了世界上第一块基 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) ，半导体和集成电路一直遵循着摩尔定律( m o o r el a w ) 高速发展 着。i c 技术经历了小规模、中规模、大规模、超大规模的不同发展阶段，其性 能也在不断提高。2 0 0 7 年全面修订的国际半导体技术路线图( i t r s ，i n t e r n a t i o n a l t 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 ) 【2j 预计，到2 0 10 年4 5 n mc m o s 工艺 巨大规模i c 将能够实现量产，届时单颗芯片上可以集成数十亿个晶体管，时钟 频率更可高达1 0 2 0 g h z 。 当今集成电路工艺已经进入纳米时代，芯片复杂度增长速度超过设计能力 增长速度的状况仍在延续，也就造成i c 设计产业中的系统设计与知识产权( i p ， i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块设计的分工，形成了i p s o c 设计方法学。 得益于半导体集成电路的迅猛发展，作为集成电路重要应用领域的计算机 系统，其内部芯片的集成度也在不断提高。针对某些特定应用领域，基于整合 型单芯片解决方案的计算机体系设计正成为一种趋势。单芯片计算机 ( c o m p u t e r o n a c h i p ) 便是在此设计思想指导下产生的。与传统计算机不同， 单芯片计算机中所有的功能模块都将集成在单一芯片中，如图l l 所示。 堆o ”* 葬【 存储器最统 c p l j | s ( ，ml i * a ml “| s r a m | l s d x m l 蘸统尊缝 | d m a | | 巾薄l 荔| 刚 | 扫缸嚣| | 抑蕊嚣| l 硭辨器l 缆貔戳红 i 生垒璺! i ll 始拇嚣e t l m c t l 孽缝功缝艰元其它婚投递囊钟教 图1 1 单芯片计算机芯片级架构设想框图 从图中可以看出，单芯片计算机是一个完整的计算机系统，c p u 、存储器、 输入输出接口及相关功能模块都连接到总线上，构成了单芯片计算机的基本系 统【3 1 。单芯片计算机的系统级设计，是面向系统总线的i p 集成过程，包括c p u 、 i o 和外设，遵循典型的s o c 设计流程。 传统计算机采用基于主板的系统设计方案。c p u 、存储器、显示控制器、 音频控制器和网络接口控制器等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 ls t a n d a r d a 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1 2 1 ) 等系统总 线进行相互之间的信息传输【4 】。而单芯片计算机则是希望把这些分立的各功能 模块以及系统总线最大限度地集成于单一芯片中。相对于传统计算机，单芯片 计算机具有如下的优势：由于系统分布电容大幅减小，从而时钟频率和总体性 能均能得到大幅度提升，整体功耗也会随之降低。同时，由于焊点和触点的减 少，系统稳定性也会显著改善。 单芯片计算机因其体积小、集成度高，因而可作为一种嵌入式设备使用， 但其与其它嵌入式设备【5 】又存在着显著区别。例如，与单片机相比，单芯片计 算机可运行完整的操作系统和丰富的应用软件，数据运算处理能力也更为强大， 可以满足更复杂的应用需求。 1 2 单芯片计算机中的c p u 设计单芯片计算机的第一步是选择一款合适的c p u 。众所周知，i n t e l 公司 开发的x 8 6 系列微处理器在个人计算机领域应用最为广泛。 1 9 7 8 年，i n t e l 首次生产出1 6 位微处理器，命名为i 8 0 8 6 ，同时还生产出与 之相配合的数学协处理器i 8 0 8 7 ，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i 8 0 8 7 指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学运算的指令。由于 这些指令集应用于i 8 0 8 6 和i 8 0 8 7 ，所以人们将其统称为x 8 6 指令集。由于8 0 8 6 的数据总线为16 位，但当时大部分外设芯片的数据总线是8 位的，因此19 7 9 年i n t e l 公司又开发出8 0 8 8c p u 。8 0 8 8 和8 0 8 6 在芯片内部均采用16 位数据传 输，只是外部数据总线位数有所差别。1 9 81 年，i b m 公司生产的第一台电脑使 用的就是8 0 8 8c p u ，这标志着x 8 6 架构和i b mp c 兼容电脑的产生。8 0 8 6 和 8 0 8 8 问世后不久，i n t e l 公司就开始对其进行改进，将更多功能集成在芯片上， 这样就诞生了8 0 18 6 和8 0 18 8 。这两款微处理器内部均以l6 位工作，在外部输 入输出上8 0 18 6 采用16 位，而8 0 18 8 仍采用8 位工作。1 9 8 2 年，i n t e l 推出了 划时代的最新产品8 0 2 8 6 芯片。与8 0 8 6 相比，该芯片有了飞跃的发展，虽然仍 旧是16 位结构，但是在c p u 内部集成有l3 4 万个晶体管，时钟频率由最初8 0 8 6 的6 m h z 提高到2 0 m h z 。其内部和外部数据总线皆为1 6 位，地址总线2 4 位， 可寻址1 6 m b 内存。从8 0 2 8 6 开始，c p u 的工作方式也演变出两种来：实模式 和保护模式。1 9 8 5 年i n t e l 又推出了8 0 3 8 6 芯片，它是x 8 6 系列中的第一款3 2 位微处理器，制造工艺也有了很大的进步，与8 0 2 8 6 相比，8 0 3 8 6 内部集成了 2 7 5 万个晶体管，时钟频率为1 2 5 m h z ，后提高到2 0 m h z ，2 5 m h z ，3 3 m h z 【b j 。 2 8 0 3 8 6 的内部和外部数据总线都是3 2 位，地址总线也是3 2 位，可寻址的物理 地址空间高达4 g b 。除支持实模式和保护模式外，8 0 3 8 6 在保护模式下还支持 一种称为虚拟8 0 8 6 模式的运行方式，可以同时模拟多个8 0 8 6 处理器，从而更 有效地执行8 0 8 6 8 0 8 8 代码。8 0 3 8 6 是x 8 6 系列产品中具有里程碑意义的产品， 如今仍被许多软件所支持，如l i n u x 操作系统。目前，x 8 6 架构c p u 还在迅速 发展着，相继开发出6 4 位及多核x 8 6 处理器，继续占据着个人电脑c p u 的领 导地位，同时基于x 8 6 架构的应用软件软件数量也非常庞大。 本论文选择兼容i n t e l8 0 8 6 的c p u 作为单芯片计算机架构中的处理器，并 在此基础上，研究和设计了显示接口模块，以及相关集成验证工作。其中c p u 的选择依据如下： 1 单芯片计算机作为一项新兴理论的研究实践，所选取的c p u 实验素材 必须具有一定的代表性。鉴于x 8 6 架构在个人电脑领域的主导地位， 软件资源丰富，因此选择x 8 6 系列处理器作为单芯片计算机的c p u 具 有广阔的应用前景，也更易为用户所接受； 2 综合考虑单芯片计算机项目的设计难度、工程进度、现有c p ui p 以及 实验资源等多方面因素，课题选择了8 0 8 6c p u 。由于x 8 6 系列c p u 具有良好的向下兼容性，因此研究8 0 8 6 单芯片计算机能够为以后研究 集成更先进x 8 6c p u 的单芯片计算机提供坚实的基础。 1 3 计算机显示技术 作为人机交互的重要环节，用户对于计算机系统的图形图像显示性能和质 量提出越来越高的要求，因而随着技术的发展，显示接口技术也在不断地发展 着。 1 3 1 主要显示接口技术 目前计算机系统中存在多种显示接口技术标准【7 1 ，主要分为以下几种： v g a 接口 v g a ( v e d i og r a p h i c sa r r a y ，视频传输阵列) 是i b m 公司于1 9 8 7 年提出的 一个使用模拟信号的计算机显示标准，是目前应用最为广泛的显示接口。绝大 多数的计算机显卡和显示器都支持该接口。除此之外，一些液晶电视、投影机 和媒体播放机等也都支持v g a 接口。v g a 接口的工作原理是由v g a 控制器 将显存中以数字格式存储的图像转换成三路的r g b 数字信号，并通过d a c 转 换成三路的r g b 模拟信号。然后，连同输出的行同步和场同步等控制信号送入 显示器进行显示。 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d d w g ( d i g i t a l d i s p l a yw o r k i n gg r o u p ，数字显示工作组) 发明的一种高速数字信号传输技术。 3 - d v i 是以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 dd 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) 技术来传 输数字信号的【8 】。t m d s 运用先进的编码算法把8 b i t 数据( r 、g 、b 中的每路 基色信号) 通过最小转换编码为1 0 b i t 数据( 包含行场同步信息、时钟信息、 数据d e 、纠错等) ，经d c 平衡后，采用差分信号传输数据。一个d v i 显示系 统包括一个传送器和一个接收器。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p c b 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。通过这两 者，显卡发出的信号就成为显示器上的图象。d v i 有d v i d 和d v i i 两种不同 的接口形式。d v i d 只能支持数字信号，d v i i 可同时兼容模拟和数字信号。 考虑到兼容性问题，目前显卡一般会采用d v i i 接口，这样可以通过转换接头 与普通的v g a 接口相连接。而带有d v i 接口的显示器一般使用d v i d 接口， 因为这样的显示器一般也带有v g a 接口，因此不需要带有模拟信号的d v i i 接口。 h d m i 接口 2 0 0 2 年4 月，日立、松下、飞利浦、s i l i c o ni m a g e 等7 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 ai 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传输标准。h d m i 在针脚上和d v i 兼容，只是采用了不 同的封装。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 g i t a ld i s p l a yc o n t r o l ，数字显示控制) 可选功能。 h d m l 支持5 g b p s t9 的数据传输率，最远可传输1 5 米。h d m i 是业界首个也是 惟一一个支持工业、非压缩、全数字视频和音频的接口。由于信号传送前无需 进行数模或者模数转换，因而可以保证最高质量的音视频信号传送。h d m i 接口的应用优势是：只需要一条h d m i 线，便可以同时传送音视频信号。目前， 随着高清视频的普及，一些p c 机也开始支持h d m i 接口。 d i s p l a y p o r t 接口 作为d v i 的继任者，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) 2 0 0 6 年发布的d i s p l a y p o r t 显示接口标准将在传输视频信号的 同时加入对高清音频信号传输的支持，同时支持更高的分辨率和刷新率。 d i s p l a y p o r t1 1 标准规格【lo 】支持单通道、单向、四线路连接，数据传输率高达 1 0 8 g b p s ，足以传送未经压缩的视频和相关音频信号，同时还支持l m b p s 的双 向辅助通道，供设备控制之用。另外，d i s p l a y p o r t 可支持w q x g a + ( 2 5 6 0 1 6 0 0 ) 、q x g a ( 2 0 4 8 15 3 6 ) 等分辨率及3 0 3 6 b i t 的色深，超高的带宽和分辨 率足以适应显示设备的发展。d i s p l a y p o r t 与h d m i 的区别在于，h d m i 最初是 面向c r t 制定的规格，继承的是d v i 的核心技术t m d s ，从本质上来说h d m i 4 仍然是d v i 的扩展。d v i 和h d m i 视频内容都以即时、专线方式进行传输，这 可以保证视频流量大时不会发生堵塞的现象。而d i s p l a y p o r t 从一开始就是面向 液晶显示器开发，采用“m i c r o p a c k e ta r c h i t e c t u r e ( 微封包架构) 传输架构， 视频内容以封包方式传送，这一点同d v i 、h d m i 等视频传输技术有着明显区 别。也就是说，h d m i 的出现取代了模拟信号视频，而d i s p l a y p o r t 的出现则取 代的是d v i 和v g a 接口。目前，三星公司已发布全球首款支持d i s p l a y p o r t 接 口的桌面液晶显示器。 1 3 2 计算机系统中的显卡技术 显卡是主机与显示器之间连接的“桥梁”，作用是控制计算机的图形图像输 出，负责将c p u 输出的图形图像数据进行处理，再输出到显示器成像。显卡作 为计算机系统的一个重要组成部分，其基本结构包括： g p u ( g r a p h i cp r o c e s s i n gu n i t ，图形处理单元) g p u 也称为图形处理芯片，这一概念是由n v i d i a 公司在发布g e f o r c e2 5 6 图形处理芯片时首先提出的。g p u 的出现使得显卡减少了对系统c p u 的依赖， 原先由c p u 负担的一些图形图像处理任务，改由g p u 承担。尤其是在处理3 d 图形时，3 d 渲染中的一个重要环节一一t l ( t r a n s f o r ma n dl i g h t i n g ，多边形 转换与光源处理) 1 1 】，g p u 能够从硬件上对其提供支持，使得处理速度大为提 古 同o v r a m ( v e d i or a m ，显存) 显存的主要功能是暂时储存显示芯片要处理的数据和处理完毕的数据。显 卡中图形核心的处理性能愈强，所需要的显存容量就越大。 显卡b i o s 存储芯片 与主板类似，显卡通常也会有一个b i o s ( b a s i ci n p u t o u t p u ts y s t e m ) 存储 芯片，储存了显示卡的硬件控制程序和相关信息【l2 1 。 1 3 3 显示技术中的d m a 应用 d m a 是计算机系统中用于快速数据交换的重要技术，它具有独立于c p u 的后台批量数据传输能力，能够满足实时图像显示过程中的高速数据传输要求。 一般情况下，图形图像显示过程中的最大特点是海量的数据信息，且待处理 传输的数据量往往大于片内存储器容量，所以该过程中必须借助d m a 在高低 速存储区之间进行数据交换，以提高数据处理传输的速度。在计算机系统运作 过程中，数据传输所耗费的时间往往超过数据处理所用的时间；因此，合理使用 d m a 传输来提高计算机图形图像显示速度，可起到很好的作用。 在图形图像处理系统中，由于显示信息处理的原始数据量很大，同时处理 中也会产生许多冗余资源【l3 1 ，对于片内存储资源有限的嵌入式芯片来说，一般 5 需要借用外部存储空间。为了提高系统的实时处理能力，可以将数据在不同存 储空间的转移任务交给d m a 来完成，从而使c p u 只专注于数据的运算工作。 同时d m a 技术对数据的重排功能可以优化图形图像数据在显存中的存储，这 不仅可以提高内部存储空间的利用效率，也可以提高数据的传输效率。虽然图 形图像数据的传输也可由软件实现，但会消耗大量的c p u 时钟周期，从而使 得系统的高速性能难以发挥。而由d m a 来进行图形图像是数据传输工作却不 占用c p u 的时钟周期，这样可以极大的提高整个系统的工作效率。 1 4 单芯片计算机设计方法学 在单芯片计算机显示接口的设计研究过程中，采用了许多数字i c 设计方法 学中的技巧和策略。 长期以来，集成电路的设计能力和开发工具能力一直落后于半导体工艺的 发展，导致了著名的“剪刀差 ，改进设计方法学几乎是缩小剪刀差的唯一途径。 针对不同的设计的需求，目前广泛使用三种设计方法：基于时序驱动的设计方 法、基于平台的设计方法和基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 复用的 设计方法。下面分别简要介绍这三种设计方法【1 4 j ： 基于时序驱动的设计方法( t d d ，t i m i n g d r i v e nd e s i g n ) 时序驱动的核心是版图规划和互连线延迟模型，关键的设计工具是版图规 划工具和时序分析工具。这种方法适用于完成规模较小a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计，难以满足规模较大电路的设计周期要求。 基于平台的设计方法( p b d ，p l a t f o r m b a s e dd e s i g n ) 这种设计方法是以i p 复用( 一般包括一个或多个微处理器或d s p ) 和片上 总线技术为基础，以软硬件协同开发为特征，根据产品的系统目标来选择i p ， 进行i p 互连和系统功能验证。 集成平台是一种适用于s o c 快速开发的高效设计环境，对于特定的产品具 有较强的开发针对性。集成平台内部包括硬件开发平台和嵌入式软件开发平台 两个部分。 基于i p 复用的设计方法( i p d ，i p b a s e dd e s i g n ) 在强大的商业压力下，设计公司常常从其他公司购买所需要的i p 核，然后 将这些i p 模块通过某种方式“拼装 成符合一定功能要求的系统，这就是i p 核的重用技术( i pr e u s e ) 。此时，设计者更关注的是如何进行系统功能的结构 划分，如何定义片上总线进行模块互联，应该选择哪些功能模块。在定义各个 功能模块时考虑怎样尽可能多的利用现有i p 资源，在功能模块设计时考虑怎样 定义才有利于以后的i p 复用、验证等等。 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，而其整个的设计过程就是一个i p 重用的s o c 设计过程。 6 1 4 1 基于i p 重用和平台的s o c 设计 s o c 顾名思义就是把一个系统集成到一个芯片上，称之为系统芯片。作为 a s i c 之后的新技术，s o c 技术和i p 技术始于2 0 世纪9 0 年代中期。由于s o c 可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了设计能力，在保证设计质量的前 提下极大地缩短了设计周期、提高了i c 设计公司的市场竞争力，因此发展非常 迅猛。s o c 设计技术的出现是集成电路产业发展历史上的次革命，已经全方 位地深刻影响到集成电路的设计、加工、市场和应用。 s o c 设计平台由硬件平台和软件平台组成。硬件平台是一个由c p u 、b u s 、 r o m 、r a m 等组成的基本硬件系统。软件平台就是实时操作系统( r t o s ， r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 和重要的应用软件。软件平台和硬件平台合在一 起称为系统平台。基于平台的s o c 设计方法使用标准的预先设计和验证的基本 构件，如处理器i p 核、存储器i p 模块和接口i p 模块等，通过整个平台的重用， 对个别模块进行增减来设计一个新的产品，使得基于平台来设计产品系列变得 快捷，从而减少了设计和验证的工作量，缩短了芯片的开发时间，增加了系统 的可预测性，降低了设计风险。 s o c 设计技术的出现是以深亚微米( d s m ，d e e ps u b m i c r o n ) 工艺技术和 先进的设计技术为基础的【l4 1 。与传统i c 设计相比，s o c 的电路要复杂庞大得 多，需要投入更多的人力与时间，设计效率和工艺水平之间的矛盾也更为尖锐。 基于i p 重用的设计方法学是解决这一矛盾最有效的途径，而基于平台的设计更 进一步提高了s o c 的设计效率。基于平台的设计就是指在平台的基础上利用i p 重用( 通过增加或删减i p 模块) 来设计衍生产品的s o c 设计过程。基于i p 重 用的s o c 设计方法与传统的集成电路设计方法存在着很大程度的不同【l5 1 。无论 是从设计、验证还是测试都需要引入一些新的技术和观念。 1 4 2 单芯片计算机验证实验平台 随着s o c 设计规模和复杂度的不断增加，以及产品开发周期、面市时间的 不断缩短，验证作为芯片设计中最复杂、最耗时的环节之一，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 ) 已成为了s o c 设计和开发的瓶颈【l 引。 当前，由于s o c 的规模越来越大，功能和结构日趋复杂，因此验证环境的 规模也越来越大，复杂度越来越高，验证环境的配置和管理面临着更多的挑战， 如资源配置、数据管理、脚本设计等诸多要素对验证效率、验证环境的可重用 性都有很大的影响。基于平台的集成化验证环境的开发是当前s o c 功能验证的 重要问题。 由于单芯片计算机的设计是基于i p 的s o c 设计过程，因此，其实验验证 包括i p 的单独验证和s o c 的集成验证两个主要阶段。 7 i p 单独验证平台 i p 单独验证主要指对单个i p 进行验证，为i p 单独验证而建立的验证环境 称为i p 单独验证平台( i ps t a n d a l o n ev e r i f i c a t i o np l a t f o r i l l ) 。对i p 单独验证而 言，关键是对i p 内部逻辑进行详细的功能验证以确保i p 功能的正确性【1 7 】。 当前的i p 设计普遍采用r t l 到g d si i 的自顶向下( t o p d o w n ) 设计验证 方法。在设计中要涉及到三个抽象层次，即r t l 级、门级( 门级网表，g a t e l e v e l n e t l i s t ) 以及物理级( 布局布线后的版图) 。因此，i p 单独验证要自顶向下地分 别在这三个抽象层次上展开。 自顶向下设计验证方法的起点是设计系统规范，依据这些规范可以制定出 详细的验证计划。根据设计规范首先对设计进行系统级建模，这一层次抽象级 较高，一般使用高级语言( c 、c + + 或其它语言) 来描述。系统级验证需要搭建 系统级验证平台。设计从上到下依次经过结构级、r t l 级和网表模型，描述越 来越精确，相应的验证对功能的确认也越来越准确。 s o c 集成验证平台 s o c 集成验证是指对包含一个或多个i p 的s o c 进行功能验证的过程，为 此而建立的验证环境称为s o c 集成验证平台( s o ci n t e g r a t i o nv e r i f i c a t i o n p l a t f o r m ) 。由于s o c 设计中使用的是经过预先设计和验证的i p 核，因此s o c 集成验证的目标放在i p 接口和i p 互连以及整个s o c 的行为和功能上【l 引。 在s o c 集成验证中，不仅要保证单个模块的功能得到完全验证，同时还要 从系统的角度，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 素给系统测试与验证带来的困难，在整个s o c 芯片的系统层次上做软硬件的协 同验证( c o v e r i f i c a t i o n ) ，保证芯片功能得到充分验证。软硬件协同验证是s o c 对验证方法提出的新要求，因此迫切需要一个s o c 仿真验证平台，提供验证方 法，提高仿真与验证的自动化程度，加快s o c 芯片的开发。 1 5 课题研究内容 课题对单芯片计算机和显示技术进行了研究，重点内容如下： ( 1 ) 搭建8 0 8 6 单芯片计算机实验平台 在分析i n t e lx 8 6 系列c p u 的基础上，采用标准8 0 8 6c p u ，并集成系统总 线、存储设备、基础外设等相关功能模块，搭建了基于8 0 8 6c p u 的单芯片计 算机实验平台。 ( 2 ) 设计d m a 传输控制器 对8 0 8 6 单芯片计算机系统总线进行分析，依据其传输协议，划分系统结构， 分析接口时序，设计了d m a 控制器并搭建了与8 0 8 6 单芯片计算机系统相匹配 的d m a 传输通