基于FPGA的SOC外部组件控制器IP的设计

 

　　1 引言

　　本文侧重于介绍IP 模块中组件控制器的设计和实现。一个基于FPGA 的LCD 控制器设计作为例子被介绍。这个组件控制器设计属于固核IP 设计，也就是软硬结合的方法。设计内容主要包括电路结构、VHDL 框架和仿真结果。该设计实现了面向可重配置SOC 的单指令驱动LCD 操作。

　　2 SOC 组件与组件控制器

　　SOC 组件是SOC 为实现某种操作功能所需要的器件或设备。这些组件可以是内部的也可以是外部的，如LCD、键盘、设备驱动器等是外部组件，电子转换器、变换器、放大器等则属于内部组件。无论是内部，还是外组件，其控制单元都要被设计在SOC 内部。作为一个系统的核心，SOC要完成运行、操作或控制功能，必须有相应的组件配合。而多数组件，尤其是外部组件在SOC 内都要有一个对应的控制器。所以，为了实现应用对象操作，SOC 要设计相当数量的组件控制器。组件控制器的设计，对SOC 而言就是一些IP 模块的设计。

　　SOC 与外部组件的基本关系见图1。相对于外部组件而言，SOC 由微处理器核MP(microprocessor)和相关的控制器IP 构成。为了得到最优的控制效率，SOC 的MP 常常被设计成可重配置(reconfigurable)的MP[5]。这意味着用户可对MP 的一些配置进行修改和添加以适应应用系统的需要，如用户可以对MP 的指令系统进行重新配置，设计加入用户需要的专用指令。为了区别于一般的MP，图1 中的给出了SOC-MP 来代表用于SOC 的MP 核

　　

 

　　图1 SOC 与外部组件的基本关系

　　SOC的组件控制器与专用指令配合可以实现一些复杂操作的单指令运行，从而大大提高了SOC应用系统的操作速度和运行效率[6]。这也正是嵌入式系统的专用设计特性和高效控制优势的体现。

　　尽管SOC 的IP 核分为硬核、软核、固核，对于非专业集成电路设计的用户来说，多数采用基于FPGA 的设计方法。实际上也就是软硬结合的IP 固核设计。本文介绍的是一种用VHDL 硬件描述语言在FPGA 上设计SOC 外部组件控制器IP 的方法。

　　3 LCD 控制器的设计

　　液晶显示器 LCD(Liquid Crystal Display)是SOC 的一种外部组件，会经常被用到。为了实现SOC 对LCD 的高效管理，要设计一个LCD 控制器IP 模块。这个模块被命名为lcd_fct。外部组件LCD 与SOC 的关系与控制结构可参考图2。

　　对照图1 可以看出，图2 中的lcd_fct 是外部组件控制器IP，它位于LCD 和MP 之间，通过数据(data)、地址线(address)、控制(control, write_e)和信号线(lcd_busy)等与MP 和LCD 建立联系。

　　

 

　　图2 外部组件LCD 的SOC 控制结构

　　在这个设计中对LCD 控制器lcd_fct 的要求是：lcd_fct 接受来自MP 的指令，如初始化、清屏和显示等。lcd_fct 按照指令的要求产生一系列控制信号和相应的时序来控制LCD 模块完成相应的操作。实际上，lcd_fct 对LCD 模块的操控主要包括LCD 初始化、清屏、传送显示数据和地址。

　　当lcd_fct 的输入信号reset 是低电平时，复位电路(Reset Circuit)开始工作，进行初始化操作、对标志和状态清零、设定相关常数等。

　　时钟调节电路(Clock Regulator)主要为定时器提供具有高质量波形的时钟。为满足运行中不同时序的需要, lcd_fct 中设计了微秒定时器(μs Timer)和毫秒定时器(ms Timer)。定时的时间常数被放在时间常数寄存器(Time Constant Register)中。

　　从MP 来的地址(addrin)和控制(write_e)信息被送到译码器(Decoder)。译码器根据不同的地址和控制信息产生相应的指令标志，如复位、清零等。并把指令标志送给控制电路(Control Circuit)。

　　控制电路(Control Circuit)是lcd_fct 的核心。它控制数据输入寄存器(Data_in Register)、数据输出寄存器(Data_out Register)、状态寄存器(State Register)、控制寄存器(Control Register)和时间常数寄存器(Time Constant Register)。控制电路根据指令标志和时序来操作不同的寄存器，实现lcd_fct 的管理和运行。

　　数据输入寄存器接受来自MP 的数据并根据需要送数据到数据输出寄存器。数据输出寄存器把数据通过数据线lcd_db 送到LCD 模块的数据总线上。这个数据既可能是要显示的数据，也可能是指令。

　　控制寄存器产生操作LCD 的控制信号，如LCD 中选信号(lcd_e)、LCD 内部寄存器选择信号(lcd_rs)和LCD 读写信号(lcd_r_w)。

　　状态寄存器在LCD 处于工作下，会产生LCD 繁忙信号(lcd_busy)。这意味着，LCD 此时不会接受其它指令。与其它信号不同，lcd_busy 是发送给MP 的。

　　实际上lcd_fct 的运行操作主要是对各种控制、状态和数据信号进行管理。