（控制理论与控制工程专业论文）电子镇流器芯片通讯和控制模块研究及其soc实现.pdf

摘要 摘要 为了提高照明电器的节能控制能力，本项目针对传统电子镇流器的特点， 在原先单点节能的基础上，提出了区域化、网络化多点节能控制的创新，并开 发了电子整流器芯片的s m s 通讯控制模块及其s o c 原型，同时完成了验证，为 实现电子镇流器芯片的网络化控制打下了基础。 与以往的数据通讯模式不同，本文选用g s m 网络的s m s 通讯作为电子镇 流器芯片的无线数据通信平台。为了实现电子镇流器芯片与上位机( p c 机或手 机) 之间的s m s 通讯，本文基于s o c 技术将8 0 5 1 微控制器核集成于电子镇流 器芯片中，以完成对g s mm o d e m 模块的控制；将采集到的电子镇流器芯片的 内部工作状态数据以s m s 方式传输至上位机；同时8 0 5 1 微控制器核也可以通 过控制g s mm o d e m 接收来自上位机的控制信号和指令，来完成对照明电器驱 动功率的智能管理和调节，以实现科学有效的节能控制，既可以进行不同区域、 位置的开关灯控制，也可以根据不同的季节、时段光照度的不同调节照明强度 以达到节电的目的。 本文大致分为三部分工作。首先，本项目在基于s o ci p 复用的集成电路设 计流程和设计方法基础上，研究了d w 8 0 5 1i p 软核，及其i p 集成方法。同时， 根据本项目的设计需要，为d w 8 0 5 1i p 软核开发了r o m 、r a m 和时钟管理等 模块。本项目在这些模块与d w 8 0 5 1 软核的基础上，实现了用于控制s m s 通讯 的8 0 5 1 微控制器核的s o c 原型，并在f p g a 开发板上完成了验证。第二步，本 项目在对a t 指令的使用和对s m s 的控制及收发研究的基础上，对8 0 5 1 微控制 器核与上位机之间的通讯程序进行了开发，完成了通过8 0 5 1 微控制器核对t c 3 5 g s mm o d e m 的控制进行s m s 数据接收和发送，实现了电子整流器芯片与上位 机之间的双向通讯功能。最后，本项目在f p g a 开发平台上，基于8 0 5 1 微控制 器核、g s mm o d e m 模块和s m s 通讯程序开发了电子整流器通讯控制模块的s o c 设计原型和开发测试环境，在8 0 5 1 微控制器i p 软核中运行g s ms m s 通讯程序， 控制g s mm o d e m 的通信。经过对设计原型与上位机之间的s m s 通讯测试，完 成了对s o c 原型的软硬件协同验证，很好的实现了预定的目标，设计开发的s o c 原型与上位机之间的s m s 通讯稳定、可靠。 关键词：电子镇流器，s o c ，f p g a ，8 0 5 1 ，s m s ， a b s t r a c t a b s t r a c t t oi m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h el i g h t i n gn e t w o r k , t h i sp r o j e c t , b y s t u d y i n gt h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cb a l l a s t sc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o p o s e da na r e a - b a s e d a n dn e t w o r k e dm u l t i n o d ee f f i c i e n c yc o n t r 0 1 t m sw o r kd e v e l o p e dan e t w o r k i n g e l e c t r o n i cb a l l a s tc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc i r c u i t b a s e do nt h ed a t at r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n ti nt h ep r o j e c t , t h en e t w o r k i n g e l e c t r o n i cb a l l a s td e s i g ni nt h i sp a p e ru s e dt h es m sc o m m u n i c a t i o nv i ag s mm o b i l e n e t w o r ka st h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r mf o rt h i sc i r c u i t t oi m p r o v et h e s m a r ta n dn e t w o r k e dc o n t r o la b i l i t y , b a s e do nt h es o cd e s i g nt e c h n o l o g y , t h ep r o j e c t i n t e g r a t e dt h e8 0 5 1m i e r o c o n t r o l l e rc o r ei n t ot h ec i r c u i ti no r d e rt oc o n t r o lt h eg s m m o d e mm o d u l ea n ds e n dt h ei n t e r n a lw o r k i n gs t a t u sd a t ao ft h ee l e c t r o n i cb a l l a s tt o t h em a s t e rm a c h i n e ( p co rm o b i l ep h o n e ) n e8 0 51m i c r o c o n t r o l l e rc o r ei sa l s o a b l et or e c e i v et h ec o n t r o ls i g n a l sa n di n s t r u c t i o n sf r o mt h em a s t e rm a c h i n eb y c o n t r o l l i n gt h eg s mm o d e mm o d u l e ，a n dt h e ns c i e n t i f i c a l l ya n de f f e c t i v e l yr e g u l a t e t h ed r i v i n gp o w e ro fl i g h t i n gc i r c u i ti no r d e rt ot u r no n o f ft h el i g h t si na s p e c i f i ca r e a a n da d j u s tt h el i g h t i n gi n t e n s i t ya c c o r d i n gt ot h es o l a rl u m i n o u si n t e n s i t yi nd i f f e r e n t d a y t i m ea n dd i f f e r e n ts e a s o n sf o ra c h i e v i n gt h ee f f i c i e n c y n ep a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s f i r s t l y , b a s e do nt h es o ci pr e u s ed e s i g nf l o w a n dm e t h o d o l o g y , t h ep r o j e c tc o n d u c t e dr e s e a r c ho nt h ed w 8 0 5 1i ps o f t c o r e a n d i t si pi n t e g r a t i o nm e t h o d s a tt h em e a n t i m e ，t h ep r o j e c td e v e l o p e di n t e r n a lr o m m o d u l e ，r a mm o d u l ea n dc l o c km a n a g e m e n tm o d u l ef o rd w 8 0 5 1i ps o f t c o r e w i t ht h e s ee f f o r t sa n d b u i l d i n gb l o c k s ，t h ep r o j e c td e v e l o p e dt h ed i g j t a lh a r d w a r ep a r t o ft h ee l e c t r o n i cb a l l a s tc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc i r c u i tf o rs o cp r o t o t y p e ，a n d v a l i d a t e dt h ed e s i g no nf p g ad e v e l o p m e n tb o a r d s e c o n d l y , t h ep r o j e c t ，b ys t u d y i n g t h ea p p l i c a t i o no ft h ea tc o m m a n d sa n ds m ss e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，d e v e l o p e dt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m f o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n8 0 51 m i c r o c o n t r o l l e rc o r ea n dm a s t e rm a c h i n ea n de n a b l e dt h e8 0 51m i c r o c o n t r o l l e rc o r e t oc o n t r o lt h et c 3 5g s mm o d e mt os e n da n dr e c e i v es m s w h i c hi m p l e m e n t e dt h e a b s t r a c t b i l a t e r a ld a t a t r a n s m i s s i o nv i as m sf o rt h en e t w o r k e de l e c t r o n i cb a l l a s t c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc i r c u i t l a s t l y , t h i sp r o j e c td e v e l o p e dt h es o cp r o t o t y p e f o rt h ec i r c u i ta n di t st e s ts y s t e m 1 1 l eg s ms m sw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o n p r o g r a mr u n n i n go nt h e8 0 5 1m i c r o c o n t r o l l e rc o r eo ft h ed i g i t a lh a r d w a r ep a r t m a n a g e dt oc o n t r o lt h ec o m m u n i c a t i o no fg s mm o d e mm o d u l e b yt e s t i n gt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep r o t o t y p ea n dt h em a s t e rm a c h i n e ，t h ep r o j e c tv a l i d a t e d t h es o f l a v a r e h a r d w a r ec o - v e r i f i c a t i o na n da c h i e v c dt h es e tg o a l 1 1 1 ec o r n m u n i c 撕o n b e t w e e nd e s i g n e dc i r c u i tp r o t o t y p ea n dm a s t e rm a c h i n ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cb a l l a s t ，s o c ，f p g a ，8 0 51 ，s m s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 杨听 加毋年弓月pe l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：枸昕 2o ，多年弓月7oe t 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 二十一世纪是能源的世纪。传统能源如石油、天然气等的有限性以及新能 源如太阳能、风能等开发的高成本都使世界各国意识到能源节约和有效利用的 紧迫性。欧美各国也纷纷立法开始支持节能型产品的开发和应用。在电能的消 耗中，照明用电所占的比重相当大，因此开发节能型高技术照明用电产品引起 了世界各国的高度重视。目前最为普及的照明设备荧光灯的镇流装置大部 分还是采用传统的电感式镇流器。这种镇流器有许多缺点，包括能耗大( 功率 因数低) 、有严重安全隐患且存在严重的电磁污染等。正是如此，欧美国家已开始 立法禁止在2 0 1 0 年以后使用电感式镇流器。作为半导体巨商像瓜、三星、s t 、 西门子、摩托罗拉、飞利浦等公司已在多年前就已经进军荧光灯电子镇流器照 明领域，不断改进并研制新的产品1 1 1 。 我国是一个发展中的国家，随着国民经济发展和人民生活水平的提高，能 源需求大幅增加，能源供需矛盾突出，节约能源已经成为我国面临的一项重要 任务。近年来，我国电力工业平均每年以1 0 左右的增幅发展，发电量居世界 第二位。但我国的电力仍远不能满足日益发展的国民经济的需要，电力的短缺 始终是阻碍国民经济进一步发展的严重障碍。尤其是近两年，全国用电量及电 负荷增长较快，去年以来已有三分之二的省市出现了不同程度的缺电甚至拉闸 限电现象，严重影响经济社会发展和人民生活水平提高。 代表着经济发展水平和国民生活水平的照明用电，随着社会现代化的发展， 需求越来越高。据调查，1 9 8 6 年全国城市住宅平均每户照明用量6 4 9 只，而到 1 9 9 6 年则为1 3 8 9 只。随着人均住房面积的扩大，这一趋势有增无减，家庭照 明用电量已在照明用电总量中占据了很大的比重。城市照明用电量也在大幅增 加，包括景观照明、道路照明、楼宇照明等。据统计，我国照明用电量已占总 用电量的1 0 - 1 2 ，现在全国照明用电量约为1 2 0 0 亿度，它相当于长江三峡 发电站年发电量8 4 0 亿度的1 4 倍还多。预计2 0 1 0 年我国用电量将达到2 7 万 亿度，照明用电量超过3 0 0 0 亿度。因此，照明节电是节约电能的一个非常重要 的领域 2 1 。 第一章绪论 国家建设部公布的十一五 城市绿色照明工程规划纲要中指出：以2 0 0 5 年底为基数，今后每年城市照明节电目标为5 ，5 年内累计节电达到2 5 。目 前的照明节能潜力很大，一般节能方案均能达到节约2 0 - - - 3 5 ，按保守的数量采 取2 0 的计算，全国节约的电能价值可观，可想而知在国民经济中该有多大的 作用。 照明节电应主要通过以下两种方式：一是选择节电的照明电器及配件。我 国的照明用电中，9 0 的住宅照明采用白炽灯，用高效节能荧光灯代替白炽灯可 节电7 5 ，用电子镇流器代替电感镇流器，可节电3 9 。据国际节能研究所预 测，如果中国住宅照明采用荧光灯的比例达到日本的5 5 、并全部改用电子镇 流器，节电潜力为1 5 0 亿k w h 。二是积极采用科学有效的控制系统。对道路照明、 住宅照明和景观照明等进行电脑化自动监控，既可根据每个季节日出日落的不 同时间进行开关灯控制，又可根据城区、郊区的不同地理位置进行分组开关， 还可以利用光采集器对天气变化造成的光照度变化做出及时反应。可以看出研 发并使用高性能节能型电子镇流器对于我国的照明节电乃至国民经济发展都有 着重大的影响 1 2 电子镇流器芯片的发展现状 我国是世界第一大照明电器生产国、第二大照明器具出口国，同时也是照 明电器的消费大国，拥有巨大的照明工业和照明市场。但是，我国的电子镇流 器应用现状体现为：电感式镇流器还占有绝对比重；集成式电子镇流器产品绝 大部分采用进口的核心控制部件，进行二次的系统开发应用，自主开发技术能 力弱。目前，我国在先进的电子镇流器研发领域，呈现出严重的“缺心”态势。 缺乏自主知识产权的电子镇流器控制芯片。在这种局势下，中国照明业必须研 发具有自主知识产权的高智能节能型电子镇流器控制芯片，从而实现电子镇流 器产品的全部国产化【3 】1 4 1 。 2 0 世纪9 0 年代启动的“中国绿色照明工程”，旨在通过建立有效的节能环 保型照明系统来提供优质高效、安全可靠、无污染的健康照明环境。据计算， 中国目前的照明用电占总发电量的1 0 ，如推广绿色照明则可以节电约3 0 0 亿 瓦d , 时，意味着可为国家节约2 0 0 多亿元。绿色照明工程的实施和国民节能意 识的提高给高效节能型电子镇流器提供一个良好的研发环境，并促使其早同囤 2 第一章绪论 产化和产业化。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国照明电器还 会有较大发展，区域节能调度成为节能的重要手段。因此，在已有节能控制芯 片及系统的基础上，构建具有区域节能控制的网络系统势在必行。 1 3 论文创新点及主要工作内容 随着我国国民经济的发展，住宅用电、楼宇用电、道路用电、景观用电等 都急需网络化的集中管理和监控，当前的节能内涵已经不局限于“单点节能， 需要拓展至网络规模下的多点节能和区域节能，这也成为本课题的研究着眼点 和主要创新点。本课题旨在研究电子镇流器芯片通讯控制模块及其s o c 实现， 以实现大规模下的多点节能和区域节能，为电子镇流器芯片的网络化控制打下 基础。 与以往的数据通讯模式不同，本文选用g s m 网络的s m s 通讯作为电子镇 流器芯片的无线数据通信平台。近年来，随着无线通信协议体系结构规范的不 断完善，各种无线通信应用不断展开，g s m 网络经过多年的发展，拥有用户数 量庞大，覆盖范围广，通信质量稳定可靠等优势。利用g s m 网络的短消息s m s 服务进行无线数据传输有很多优势，例如可靠性高、易于操作、不受空间地点 约束等。本项目就是基于g s m 网络的s m s 服务完成无线数据通信，对电子镇 流器芯片进行远程监控，以达到网络化的智能节能控制。整个项目构架示意图 如下所示： 3 第一章绪论 照明电器 照明电器 图1 1基于g s m 网络s m s 业务的网络型电子镇流器示意图 s m s 采用无线方式传送数据信息，短消息的发送与接收可以在移动中完成； 并且g s m 网络在全球范围内实现了联网和漫游，短消息的传输不受地域环境、 时间等限制，可以实现大面积、多测点的网络化控制。同时，g s m 网络本身也 具有抗干扰能力强、数据传输可靠、保密性强等特点，能够在一定程度上保证 数据的可靠传输。上位机可以为p c 机或者是手机。p c 机只需连接专用的g s m m o d e m ( 调制解调器) ，就可以方便快捷地完成各种检测、监控数据信号和控制命 令的远程无线通信。另外也可以使用手机对网络型电子镇流器芯片进行远程控 制，不受地域时间等的限制，方便家庭或个人用户对家居照明等进行控制。 下图为网络型电子镇流器芯片内部结构图： 4 第一章绪论 图1 2 网络型电子镇流器芯片内部结构图 网络型电子镇流器芯片主要由两大部分组成，即电子镇流器芯片控制模块 和照明电器功率控制模块。照明电器功率控制模块主要负责功率输出( 驱动照 明电器，如荧光灯等) 、工作状态采集和保护动作等功能，是电子镇流器的动作 与照明电器工作状态感知的部件。而电子镇流器芯片控制模块则是电子镇流器 芯片的灵魂所在，它依据采集来的电子镇流器的工作状态和接收到的节能控制 指令，在保障电子镇流器芯片基本的工作模态基础上，完成对照明电器的节能 化网络化控制。 本项目的主要研究内容为电子镇流器芯片控制模块设计，包括s m s 通讯模 块设计等。为了更好地实现对电子镇流器芯片的智能化网络化控制，本项目基 于s o c 技术将8 0 5 1 微控制器核集成于电子镇流器芯片中，利用8 0 5 1 微控制器 核完成对芯片各个模块的控制，尤其是最为重要的s m s 通讯模块。8 0 5 1 微控制 器核通过对g s mm o d e m 的控制，将采集到的电子镇流器芯片的内部工作状态 以s m s 的方式传输至上位机( p c 机或手机) ；同时8 0 5 1 微控制器核也可以通过 对g s mm o d e m 的控制接收来自上位机的控制信号，并通过节能策略控制模块 第一章绪论 完成对照明电器驱动功率的调节，以实现科学有效的节能控制，既可以进行不 同区域、位置的开关灯控制，也可以根据不同的季节、时段光照度的不同调节 照明强度以达到节电的目的。 1 4 论文结构安排 本文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题背景，电子镇流器芯片发展现状以及本文主 要工作内容和创新点。 第二章为基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计，主要介绍s o c 设计及其关 键技术，皿复用技术以及基于f p g a 的s o c 原型设计，还介绍了f p g a 设计的 流程、开发工具等。 第三章为基于f p g a 原型的8 0 5 1 微控制器s o c 设计。这一章是本文的核心 内容，对8 0 5 1 微控制器核的设计开发进行了详细介绍，包括d w 8 0 5 1 模块的配 置和集成，内部r o m 、内部r a m 、时钟模块等子模块设计和实现，以及8 0 5 1 微控制器核功能仿真和综合的结果等。 第四章为g s m 网络及s m s 技术介绍。首先，通过对不同的远程数据传输 方式的比较，选择了最适合本项目的通信方式：基于g s m 网络的s m s 无线数 据传输。然后，对g s m 网络和s m s 业务的基础知识进行了介绍。 第五章为系统硬件开发平台介绍，主要包括本项目中所使用的x i l i n x s p a r t a n - 3 ef p g a 开发板介绍、西门子的t c 3 5g s mm o d e m 介绍等。 第六章为系统软件设计，这一章是本文的另一个核心内容。主要内容为8 0 5 1 微控制器核与上位机之间的s m s 无线通信程序的设计与开发。基于对a t 指令、 短消息在不同格式及控制方式下接收和发送过程等的研究，对整体程序及各个 重要的子模块分别进行了详细的介绍。 第七章为结论和展望，对本项目的软硬件协同验证及结果进行了介绍，对 本文进行了总结，对未来的研究工作提出了进一步展望。 6 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 自集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 问世以来，设计人员集成在单个芯片上的 晶体管数量就呈现出令人惊讶的增长速度。早在1 9 6 4 年，i n t e l 公司创始人之一 g o l d e nm o o r e 便预测说集成在单个硅片上的晶体管数量每1 8 个月将会翻一番， 同时芯片的成本也将相应下降，这就是著名的“摩尔定律。3 0 余年过去了，集 成电路遵循着摩尔定律获得了惊人的发展，在今后的1 0 年中摩尔定律依然有效。 在过去的几年中，半导体工业进入了亚微米和深亚微米时代，c m o s 工艺 水平不断提高：2 0 0 2 年达到0 1 3 u r n ，2 0 0 4 年为6 5 n m ，2 0 0 7 年则是4 5 n m ；相 应地，芯片规模也越来越大。在这样的单片集成度水平下，人们已经有可能在 一个芯片上集成原来需要多个芯片才能搭建完成的整个电子系统，片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 的概念便应运而生。 电子系统传统的设计方法是在p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 级完成的。系统 设计人员利用某个i c 制造商生产的通用集成电路，在p c b 上构成系统，系统的 调试也在p c b 上进行。这种开发设计方法要求设计者具有丰富的硬件知识和调 试能力，产品开发周期长，投资较大，设计修改困难。此外，由于p c b 连线的 延时、空间尺度、重量和可靠性等的制约，整机性能受到很大的限制。如果能 将整个系统最终集成在一个单片上，无疑对于提高产品性能、缩小产品体积具 有极大帮助。因而，s o c 是电子系统开发设计的合理选择。 从分立元件到集成电路再到片上系统，是微电子领域的两次巨大革命，2 0 世纪9 0 年代中后期，集成电路领域已经进入s o c 的时代，跨入2 l 世纪，s o c 的应用领域也越来越广泛。s o c 满足了现代电子产品向高速度、低电压、低功耗、 网络化、移动化发展的要求，是以电子信息为代表的高科技产业的核心，也是 信息社会发展的基石。但是s o c 技术是一个全新的领域，不同于传统嵌入式系 统的设计与开发，系统芯片不仅集成密度大、速度快、还要解决各种干扰问题。 目前由于市场竞争的影响，产品设计开发者总是希望开发过程投资小、周期短、 一次性研发成功，这既是目标也是矛盾所在，解决矛盾达到目标对片上系统s o c 的研究开发人员而言无疑是一个巨大的挑战【5 】。 7 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 2 。1 片上系统s o c 技术 2 1 1 片上系统s o c 的定义 1 9 9 5 年美国d a t a q u e s t 咨询公司对s o c 的定义是：包括一个或多个计算“引 擎 ( 微处理器微控制器数字信号处理器) 、至少1 0 万门的用户门和相当数量 的存储器；要在芯片上整体实现c p u 、d s p 、数字电路、模拟电路、存储器等 多种电路；综合实现图像处理、语音处理、通信协议、通信机能、数据处理等 功能。系统芯片与集成电路相比，不再是一种功能单一的单元电路，而是将信 号采集、处理和输出等完整的系统集成在一起，成为一个有某种应用目的的电 子系统单片。由于s o c 与具体的应用系统结合紧密，所以它属于专用集成电路 a s i c 的范畴。 2 1 2s o c 面临的挑战和关键技术 从市场的角度来看，s o c 瞄准着特定的电子整机系统而开发。网络、通信等 应用的迅速发展造成整机产品的快速更新，导致s o c 产品生命周期短暂，使得 开发周期滞后的厂家在其产品还没有成熟时市场就开始萎缩或更迭；另一方面， 专用市场对于有限的需求也不可能安排超量的产品投产。于是出现了“市场机 会窗口”理论。按照这一理论，市场优势将属于那些先行进入市场的厂家，而 不是那些产品成本最低或性能价格比最优的厂家。因此，a s i c 厂家生存和发展 的首要考虑是提高设计效率，以尽可能缩短产品开发周期。 在这种情况下，先进的工艺水平提供的迅速膨胀的集成电路规模与市场机 会窗口所要求的缩短产品开发周期就呈现出了巨大的矛盾。按照国际上对集成 电路设计人员的设计能力评估，在r t l 层次，职业设计人员的设计能力平价每 天完成2 0 0 门i c 设计工作量。如果从头丌始完成s o c 芯片设计，很难满足现代 电子产品要求快速上市的要求。 从s o c 设计的角度看，工艺的变革必然带来设计方法的革命，以满足市场 的设计需求。s o c 设计方法要满足缩短设计时间、降低设计j x l 险、降低设计复杂 度和保证设计的可预测性和可靠性等要求。s o c 设计技术是一种以可重用的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核为基础，以软硬件协同设计( c o d e s i g n ) 为主要设计方 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 法的芯片设计技术。s o c 设计是如何去评估、验证和集成已经存在的硬件模块， 而不是去着重关注某个新功能的设计实现。s o c 芯片设计主要面临三个问题：深 亚微米设计技术、软硬件协同设计技术、p 核的设计和重用技术。其中深亚微 米集成电路设计主要考虑路径延迟、信号完整性等问题。软硬件协同设计要求 进行软硬件的合理划分，并在设计的各个阶段同时进行软硬件设计和验证，减 少设计的反复性。口核的设计涉及到设计思路、时序要求和性能要求；口核的 使用涉及到p 核的测试、验证、模拟、低功耗等。 另外，一个复杂的系统芯片的设计成功需要诸多领域的专业知识，在一个 设计中很难集中这么多领域的专业知识，因此，在微电子系统设计中正发生着 一个重要的转移，即：i c 的设计过程必须经过多个设计中心、多种e d a 工具后 才能到达生产线。如图2 1 所示，系统设计正在从一个经过不同设计阶段的垂直 过程转化为经过不同设计中心的水平过程。 图2 1i c 设计流程的转变 面对着s o c 前所未有的规模和复杂度，面对着日益紧迫的缩短设计周期的 要求，必须引入新的思维方式，寻求能在适当时间和有限人员参加的情况下处 理亚微米、深亚微米时代下的a s i c 设计这一复杂问题的设计技术和方法1 6 】。 9 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 2 2i p 核及i p 复用技术【6 】 s o c 设计面临诸多挑战，其中m 核的复用最为关键。据美国d a t a q u e s t 咨询 公司的统计，p 核已经成为一项产业，2 0 0 5 年全球s o c 设计8 0 都是采用以m 核为主而进行设计的，i p 核已经成为集成电路产业中增长最快的一部分。 随着以p 核复用为基础的集成电路发展的第三次变革，系统设计者进行一 个复杂设计的过程很有可能像以前构造一块p c b 一样，可以从市场上采购经过 验证的口功能模块，然后在一个芯片上有效集成，从而构成一个功能强大的系 统，即系统芯片。如图2 2 所示，在这种设计方法下，由于有着丰富的已经设计 好了的m 单元库支持，所以系统设计者可以引入外部口产品，再与自己的优势 相结合，完成具有自己知识产权的系统设计。 半导体厂商 设芝i 多 p 半导体厂商- 丁 图2 2 以i p 构件为基础的设计复用 设计复用有多方面的益处，其中最主要最明显的就是在a s i c 的开发中可以 充分利用已有的开发成果，消除重复劳动，避免重新开发可能引入的错误，从 而缩短系统芯片的设计周期，提高系统芯片的设计生产率，并由此降低芯片生 产的代价。另外，设计复用还有其他一些优点，如：提高设计质量、推动标准 化工作、支持原型开发等等。 2 2 1i p 核的定义 i p 核是指集成电路设计中所采用具有独立知识产权的可重用的功能模块， 1 0 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 其英文名称i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，就其本质来讲是一个能提供正确接口信号 的基本电路功能模块。美国d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业中的i p 核定义为用 于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c s t a n d a r dp r o d u c t ) 等器件中预先设计好的甚至已经过验证的具有某种确定功能的 集成电路、器件或部件，是被标准化的、可重用的硬件资源。集成电路设计中 利用口资源可以缩短相应的设计周期，同时也可以提高流片成功的几率，尤其 是在要求实现片上系统的今天，充分利用疋核可以使系统级芯片的功能更为强 大。 p 核一般包含以下三层含义 口核是一些设计好的功能模块，p 核所提供的只是一些设计数据，而不 是实际芯片； 口核必须经过实际验证以确保i p 核性能可靠，最好是曾经在芯片设计 中被成功使用过的，或者是经过某种可编程器件( 如现场可编程门阵列f p g a ： f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 验证过的设计； m 核必须经过性能优化以达到最佳性能。 2 2 2i p 核的层次划分 i p 核的设计层次有三种不同形式，分别是行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 级的设计，对应有主要描述功能行为的“软核( s o rc o r e ) 、 完成结构描述的“固核( f i n nc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬核 ( h a r dc o r e ) ”三个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛胚、半成品和 成品的设计技术。三种核之间的特点比较如表2 1 所示。 表2 i 三种i p 核之间的特点比较 名称呈现形式 与实现工艺的相关性灵活性可靠性 硬核版图相关低商 固核门级网表相关一般一般 软核r t l 描述无关鬲低 软核又称作虚拟器件，主要是基于电路模块功能的描述，它由硬件描述语 言在较高抽象层次上对电路模块的功能进行描述，并且经过行为级设计优化和 功能验证形成面向某种可编程逻辑器件的可以综合的r t l 级代码或网表形式。 1 l 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 i p 软核通常以规范化的硬件描述语言文档形式提交给用户，文档中一般包括逻 辑描述、网表、测试验证硬件平台信息以及一些可以用于测试，但不能物理实 现的测试平台( t e s t b e n c h ) 文件。复用口软核时，用户可以在一定的可编程逻辑器 件硬件平台下综合出逻辑功能正确的r t l 级网表，并借助e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，设计出需要的电路并集 成在可编程逻辑器件中。通常，可商品化的软核电路结构总门数都在5 0 0 0f - j 以 上。由于软核中不含有任何具体的物理信息，不依赖于最终的实现工艺，因此 具有很大的灵活性，使用者可以非常方便地将其映射到自己所使用的工艺上， 可复用性高。此外，软核的使用者完全拥有源代码，可以通过修改源代码或对 源代码进行优化来生成自己的软核，并可以很容易的借助于e d a 综合工具与其 它外部逻辑电路结合成一体。但是，软核通常只提供r t l 级描述，使用者要将 它嵌入到自己的设计中就必须对从r t l 级描述到版 ( l a y o u t ) 的转换全过程负 责，这样设计的复杂性将大大增大，同时m 核的性能在这种转换过程中也难以 得到保证。与硬核相比，软核的可预测性差，设计时间长，设计者往往需要在 流片以后才能准确得知i p 核是否符合需求，为了克服这些缺点，i p 核供应商有 必要提供详细的i p 核验正数据供设计者评估。 硬核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺， 并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给使用者的形式是电路物理结 构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。由于硬核总是与特 定的实现工艺相关，所以i p 核的形状、大小以及端口位置都是固定的，因此它 的灵活性最小，可重用性最差，难以移植到不同的加工工艺上。但也正是由于 硬核具有不可更改性，所以它的性能最稳定，可靠性最高。 固核的设计深度介于软核和硬核之间，通常是在软核基础上开发而成的一 种可综合、带时序信息以及布局布线规划的设计，用硬件描述语言写成，多以 门电路级网表( n e t l i s t ) 的形式呈现。固核一般对应于某一特定的实现工艺，因此 与软核相比性能更可靠，而它又通常由使用者来完成布局布线，因此i p 核的形 状、大小以及端口位置都是不固定的，与硬核相比具有更大的灵活性。但是， 固核也有其自身的弱点，它与实现工艺的相关性限制了固核的使用范围；而网 表的难读性使得一旦用户在布局布线过程中出现时序错误时，排错非常困难。 i p 核的诞生为集成电路设计和制造带来了一次革命，设计者可以直接利用 第三方提供的预先设计和验证过的i p 核，从而达到了降低系统设计复杂性，缩 1 2 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 短系统设计、生产周期，降低产品成本的目的。 2 2 3 i p 核的选择与评估 只要在s o c 设计中使用第三方口，对p 的评估就必不可少，这是集成第三 方m 的第一个步骤。评估口的指标是多方面的，归纳来看无论是哪种形式的口 核，都应具有图2 3 所示的主要特征。这些特征在口核提交时可以统称为交付 项。无论是软核还是硬核，将口核集成到s o c 中都需要很多步骤，这个过程能 否顺利完成，主要取决于m 核提供者提交的交付项是否完备，是否符合通用标 准。因此通过标准对这些交付项加以明确的定义与规范，是m 核有效复用的基 础与保障。 正如图2 3 所示，i p 核在交付使用时要提供必要的信息，这是至关重要的， 这些信息包括各类文档和机器可读的设计描述形式( 源代码、网表、各种模型、 脚本文件等) ，以帮助i p 核集成者了解i p 核的功能和性能，用于系统集成，同 时也是口核评测的重要依据。 图2 3i p 核的主要特征图 选择i p 模块时必须考虑的另外一个重要因素是：评估i p 模块的品质。良好 的i p 核质量是i p 核有效复用所必需的。因此要制定i p 核的质量评测标准，依 据这一标准对i p 核质量给出相对客观的评价。利用工具实现i p 核设计数据自动 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 嵌入到现有主流的e d a 工具，进而实现i p 核的自动集成，这也是s o c 集成者 所追求的目标。为实现这一目标，需建立相应的标准，描述口核的交付项，并 完成与相应e d a 工具的接口，实现口核文档和数据自动输入到应用环境中。 要使i p 核做到“即插即用 ，就要有统一的接口，为此需要定义一个i p 核 通用接口，以便带有这一通用接口的m 核可以在s o c 内进行互连，既可以是直 接点对点的连接，也可通过带有这一通用接口的总线进行互连。i p 接口协议是 口核连接到片上互联的通道，负责数据、地址和控制信息的传递，在片上互联 确定的情况下，这是i p 核集成的重点问题。 2 2 4i p 核的集成 对婵核集成而言，片上互联是m 核间数据交互的协议实现和通道。片上互 联的设计与实现也应该以方便口集成为目标。最常见的片上互联方案是片上总 线。片上总线按连接方式可以分为共享总线、点对点总线等。共享总线是指系 统中只有一组数据通路，所有的设备都使用它来进行访问操作，同一时刻只能 有一对设备占有总线进行通信，即阻塞( b l o c k i n g ) 方式的通信协议。在点对点结 构中，任意两个设备间都存在一组数据通路，同一时刻允许多对设备进行通信， 即非阻塞( n o n b l o c k i n g ) 的通信协议。现在已有一些片上互联部分的使用这种 连接方式。片上总线按拓扑结构可以分为层次结构总线和环行结构总线等，s o c 中一般采用层次结构总线。 层次结构总线由处理器总线、系统总线和外设总线组成。其中处理器总线 是因处理器而异的，并且其参数是固定的，一般将处理器总线及其组件看成一 个处理器i p 。系统总线和外设总线上挂接的设备分为主设备( m a s t e rd e v i c e ) 和 从设备( s l a v ed e v i c e ) ，前者通常用来连接需要高带宽和低延迟的i p ，后者用来 连接那些不需要高带宽的i p 。系统总线和外设总线通过桥接( b r i d g e ) 相连。 基于片上总线集成是i p 集成的一种比较经济和高性能的解决方案。因为这 样的集成方式都是紧耦合的，在功耗、面积和效率方面都具有优势【7 】。 基于接口的设计方法包括基于接口的设计和验证，这罩的接口是指硬件接 口与软件接口，本文主要指i p 与互联之间的接口。通过在i p 和互联之间定义一 种标准的接口，可以让i p 设计者专注于i p 功能的设计，从而节省设计时间。并 且可以在系统集成者不知道i p 内部系统结构的情况下进行i p 集成，即将i p 内 1 4 第二章基于f p g a 和i p 复用的s o c 原型设计 核与片上互联完全隔离开，从而做到