（微电子学与固体电子学专业论文）基于yak+soc的接口ip软核设计与验证.pdf

i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：牦日期：? 世 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：象强导师签名：么丝日期：兰生 r； 随着半导体工艺技术的发展，i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单 一芯片上。s o c 正是在集成电路( i c ) 向集成系统( i s ) 转变的大方向下产生的。 从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上；从广义 角度讲，s o c 就是一个微小型系统，如果说中央处理器( c p u ) 是大脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。s o c 的出现使集成电路发展成为集成系 统，整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。在不久的将来，集成电路与 电子整机之间的界限将被彻底打破。 s o c 设计准入的最大门槛是专门技术、工p 库和s o c 总线架构支持。将需要 广泛的多功能i p 和客户逻辑集成在一起，以满足客户产品开发的需求。由此许 多第三方i p 供应商得到快速发展，它们的成功要么具有独一无二的且极具价值 的i p ，要么具有良好声誉的库。s o c 设计者通过重用已验证的工p ，不仅利用了 最新工艺技术优势，而且减少了开发周期和风险。 本文根据y a ks o c 的架构特点，完成了y a ks o c 接口i p 软核设计与验证并 为y a ks o c 的灵活应用提供了保证。本文所开发的接口类i p 包括s p i 、i i s 、和 i 工c 三种i p 软核以实现芯片应用的灵活性。为实现模块间正常通讯，本文首先 分析了基于标准总线的设计方法。在基于标准总线的基础上，本文成功地将基于 总线设计的模块集成到y a ks o c 系统中。同时，本文详细地给出了完整的i p 模 块实现方法。最后完成了i p 软核验证，结果表明了本文所设计的y a ks o c 接口 i p 软核设计的正确性。 本文的研究成果对s o c 系统设计以及s o c 系统平台的开发具有一定的指导 意义和应用价值。 关键词：y a ks o c ；p 可重用设计；s p i ；i i s ；i i c 北京工业大学工学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也t l l ed e v e l o p m e n to fs e n l i c o n d u c t o rt e c h n o l og _ y ， i cd e s i g 皿e r sc a nb e 访t e 灯a t e dm o r ea n dm o r ec o m d l e x6 m c t i o n s 缸oas i i l g l ec 址p s o ci sg e n e r a t e d u n d e rt h eg e n e r a ld c t i o no f 也ei n t e 印l t e dc i r c u i t ( i c ) t om eh n e g r a t e ds y s t e m ( i s ) f r o mt l l en 锄wp o i l l to fv i e w i ti sm f o m l a t i o ns y s t e m so n c m p ，皴l di s 也es y s t e m i 1 1 t e g r a t i o no n ac k p ；丘i o mab r o a dp e r s p e c t i v e ，s o ci sam i c r os y s t e m ，i fm ec e n t r 2 l l p r o c e s s i l l gu i l i t ( c p u ) i sm eb r a m ，m e nm es o ci st h es y s t e mt 1 1 a ti i l c l u d e s l eb r a i n ， h e a r t ，e y e sa i l dh a n d s t b ee m e r g e r l c eo fs o cm a l ( ei n t e 霉，a t e dc i r c u i t si m oa 1 1 血e 灯a t e ds y s t e m ，t h ee l e c 扣d i l i cm a c h i l l e s 胁c t i o nc a l lb ei 1 1 t e 目a t e di 1 1 t oo n ec k p i i l t l l en e a r 矗l 臼l r e ，也el i n eb e t 、) 他e ni n 钯盯a t e dc 血：u i t sa n de l e c 臼o i l i cm a c h m e 、杭ub e c o m p l e t e l yb r o k e n s o cd e s i 鲫e n 衄t l l r e s h o l di st h e 盯e a t e s te x p e r t i s e ，i pl i b r a 血e s ，a 1 1 ds o cb u s a r c k t e c t u r es u p p o r t r e q u i r ee x t e n s i v ei p sa 1 1 dm u l t i f b n c t i o nn e 筚a t e dw i t h 也e c l i e ml o g i ct 0m e e t 也en e e d so fo u rc u s t o m e r sp r o d u c td e v e l o p m e n t w i mr a p i d d e v e l o p m e n tm a i l yt b i r d p 拍ri pv e n d o r s ，t 1 1 e i rs u c c e s sh a sau 血q u ea n dv a l 珑如l e 碱 o rh a l sag o o dr 印u t a t i o ni i lt l l el i b r a r y s o cd e s i g n e r sr e u s ep r o v e ni p ，n o to 芏d yt l l e a d v a m a g e so fu s 血gm el a t e s tt e c l l i l o l og ：y ，b u ta l s or e d u c ed e v e l o p m e n tt i m ea n d r i s k i i ln ：l i sp a p e r ，a c c o r d i l l gt o 吐l ea r c h j t e c t u r eo fy a ks o c ，c o m p l e t e dy a ks o c i n t e r f a c ei ps o rc o r ed e s i 趴a n dv e r i f i c a t i o n ，p r o v i d e sag u a 晤m e eo fn e x i b l e a p p l i c a t i o no ft l l ey a ks o c ，t 1 1 e s ed e s 谫o f t 1 1 r e ei ps o rc o r e s ，沁l u d 堍s p i ，i i s ， a i l di i c ，i no r d e rt oa c k e v ec k pa p p l i c a t i o nf l e x i b i l i 戗t oa c m e v en o m a l c o m m u n ic a t i o nb e t w e e nm o d u l e s ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st 1 1 ed e s i 擘皿m e m o db a s e d o nt l l es t a l l ( 1 a r db u s b u s - b a s e dd e s i 阻c a nb ei m e g r a t e dh l t om ey a ks o cs y s t e mt o m em o d u l es u c c e s e 如l l y m o r e o v e r ，t h i sp a p e rg i v e si nd e t a i lo fc o m p l e t em e t h o do f i pm o d u l e f i n a l l yc o m p l e t e d 也ei ps o f tc o r et e s t i n g ，a i l ds h o w st h ec o r r e c to f 也e d e s i 叨o f 、f ：a ks o ci m e r f 如ei ps o rc o r e t h er e s u l to ft l l i sp a p e rh a u ss o m eu s e n l ls u p e r v i s m gm 9 a d j i l ga n da p p l i c a t i o n v a l u ef 0 rs o c ：s y s t e md e s i s 皿 k e yw o r d s ：y a ks o c ；婵r e u s em e m o d o l o g y ；s p i ；i i s ；i i c m v i 目录 目录 摘要i a b s 舰c t i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及课题意义1 1 2 国内外相关领域的研究进展1 1 2 1i p 的可重用设计2 1 2 2 低功耗设计思想3 1 2 3 软硬件协同验证4 1 3s o c 设计中的可重用模块i p 核4 1 4s o c 可重用设计的实现方法5 1 5 课题研究内容6 1 6 论文内容6 一 第2 章i i c ，i i s ，s p i 接口功能9 2 1s p i 接口功能一9 2 2i i c 接口功能11 2 3i i s 接口功能1 6 2 4 本章小结16 第3 章y 斌s o c 系统平台1 7 3 1 y a ks o c 系统平台概述17 3 1 1 核心处理器进行系统控制17 3 1 2 灵活的可配置性1 7 3 1 3 互联总线技术1 7 3 1 4 系统的开发资源18 3 2l e o n 处理器介绍18 3 2 1l e o n 的结构19 3 2 2l e o n 的技术特点19 3 2 3 容错问题2 1 - 3 3a m b a 总线：2 2 3 4 本章小结2 2 第4 章s o c 可重用设计方法2 3 4 1s o c 可重用设计方法概述2 3 4 1 1 基于片上总线结构的设计方法2 3 4 1 1 1a m b a 总线2 4 4 1 1 2w i s h b o n e 总线2 6 4 1 1 3a v a l o n 总线2 7 4 1 2 基于接口的设计方法2 8 4 2i p 模块的实现方法3 0 4 2 1 完善的i p 核的特征3 0 4 2 2i p 设计流程概述31 4 2 2 1 定义关键特征3l - 4 2 2 2 规划和制定规范31 - i i i 目录 4 2 3i p 设计和验证3 2 4 3i p 模块的验证策略3 4 4 3 1 i p 验证策略概述一3 4 4 3 2i p 模块的三种验证方法3 4 4 3 2 1 基于事务处理的验证：3 4 4 3 2 2 基于模块的验证方法3 5 4 3 2 3 响应自动检查的验证方法3 6 4 4 本章小结一3 7 第5 章s p ii i si i c 接口p 的实现与系统集成一3 9 5 1s p ii p 设计与验证3 9 5 1 1i p 的功能定义一3 9 5 1 2s p i 模块的接口信号与配置寄存器3 9 5 1 3s p i 逻辑功能实现4 卜 5 1 4s p i 接口i p 的验证4 4 5 1 4 1n r f 9 0 5 介绍4 4 5 1 4 2n i 9 0 5 配置与工作过程4 5 5 2i i s 接口i p 的设计与验证5 0 5 2 1 i p 的功能定义：5 0 5 2 2i i s 模块的接口信号与配置寄存器5 0 5 2 3i i s 逻辑功能实现51 5 2 4i i s 接口i p 的验证5 3 5 3i i c 接口i p 的实现与验证5 5 5 3 1 i p 的功能定义5 5 5 3 2i i c 模块的接口信号与配置寄存器5 5 5 3 3i i c 逻辑功能实现5 7 5 3 4i i c 接口i p 的验证5 8 5 4s p ii i si i c 系统集成5 9 5 5 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 致谢6 9 v i 第1 章绪论 1 1 课题背景及课题意义 第1 章绪论 集成电路设计已经发展到了系统级的设计阶段。单纯的a s i c 设计已经不能 解决当今系统设计的需要。并且竞争的加剧要求对市场具有快速的反应能力，必 须降低产品的开发周期。现有的设计方法周期过长并且开发成本昂贵，已不能满 足市场对时间和成本的要求。为解决这一矛盾必须开发新的片上系统s o c 设计 方法，提高设计人员的设计能力。解决问题的主要方法是在最大程度上使用可重 用的口模块搭建s o c 系统平台，完成所需的应用功能【1 】 p 模块将成为片上系统设计的基本单元，集成者对已有的口资源并对其进 行评估，选用适当的i p 模块，完成系统集成设计。开发具有知识产权口的功能 块，能够缩短设计周期，降低设计成本，是片上系统设计的重要手段。基于口 的片上系统设计方法已成为近年来的研究热点，具有重要的理论意义和实践价 值。 本课题对本实验室集成电路方向的研究项目y a ks o c 有很重要的应用价 值，对该s o c 的i p 可重用设计有良好的参考价值。 1 2 国内外相关领域的研究进展 世界口核产业快速发展： 赛迪顾问数据显示，到2 0 0 7 年，全球s o c 市场需求额将达7 5 0 亿美元，占 同期半导体市场的2 9 左右，2 0 0 1 年2 0 0 6 年的s o c 产品年平均增长率为1 7 2 ， 高于世界半导体同期市场的增长率1 3 。2 0 0 6 年全球s o c 产品设计8 5 都是采 用以i p 核为主的预定制模块，而2 0 0 3 年这一比例仅为5 0 ，i p 核已经成为主 流芯片设计的核心构件。 i p 核复用技术大大降低了s o c 模块设计的难度。p 核作为s o c 的重要支撑 部分，其质量的好坏、数量的多少、系统整合的难易、保护是否得力以及成本等 因素越来越成为影响s o c 发展的重要因素。在国外，p 核专营公司日见增多。 目前自主开发和经营i p 核的公司有a r m 、m i p st e c h n 0 1 0 9 i e s 、眦u s 及 v i r a g el o g 等。以删公司为例，从1 9 8 5 年设计开发出第一块r j s c 处理器d 核模块，到1 9 9 0 年首次将其口核专利权转让给a p p l e 公司，到目前全球共有诸 如i b m 、t i 、p h n i p s 、n e c 、s o n y 等几十家公司采用其m 核开发自己的产品。 中国d 核产业刚刚起步： 北京工业大学工学硕士学位论文 中国对s o c i p 产业非常重视，信息产业部于2 0 0 2 年批准成立了“信息产业 部集成电路i p 标准工作组( i p c g ) ”，负责制定中国的i p 核技术标准，后来又 成立了“信息产业部软件与集成电路促进中心( c s i p ) ”和“上海硅知识产权交 易中心( s s i p e x ) ”，表明中国的i p 核交易基础机构已经逐步建立起来，为d 核标准的应用和推广奠定了基础。 2 0 0 4 年，由c s m 筹建的国家i p 核库正式建成，并开始正式向集成电路s o c 设计商、制造商提供服务。2 0 0 5 年8 月由信息产业部软件与集成电路促进中心 ( c s i p ) 、大唐微电子、神州龙芯、苏州国芯、中芯国际等8 家单位发起的“中 国硅知识产权产业联盟”( 简称中国口联盟) 在北京正式成立。首批加入联盟 的企事业单位有5 1 家，包括国内各地集成电路设计企业、科研机构、国内外硅 知识产权( p 核) 提供商，世界著名e d a 工具提供商以及集成电路制造企业。 目前国内购买的i p 核产品，1 8 来自境外代工厂，2 9 来自境内代工厂，3 5 来 自境外p 核供应商，1 1 来自境内i p 核供应商，只有7 是共享交换p 核。由 此可见，本土i p 核的发展还远远不能满足中国需求。中国的d 核产业起步较 晚，规模很小，p 核产业存在设计种类少，经过验证的i p 核寥寥无几等问题， 对s o c 设计和产业化形成了瓶颈。截止到目前为止，国内纯粹依靠i p 核经营的 公司屈指可数，多数公司在涉足i p 核行业时极为谨慎，经常是a s i c 经营、p 核经营、设计服务经营同时进行。南山之桥、苏州国芯、神州龙芯和登颠微电 子等国内企业成为第一批以口核为主要方向的公司正处于起步发展阶段。目前， 中国i p 核已经有了一些成功应用的先例：从2 0 0 5 年开始，神州龙芯已开始对 外提供p 核产品，目前在a v s 测试芯片已经采用了2 个龙芯i p 软核，一个用 于控制，另一个用于解码；上海富瀚h 2 6 4 的高清解码器i p 核已经被全球著名 的芯片设计公司购买了授权，开创了国内创业公司对国外大公司进行口核授权 的先例。 1 2 1i p 的可重用设计 如今i c 设计的可重用技术( r e u s e ) 已经成为公司和研究机构设计i c 的 最根本的设计思路。如果一个设计没有考虑到重用问题，那将给后续的设计增加 很大的麻烦，甚至有些设计需要重新开始。现在基于s o c 的设计主要是利用现 有的i p 核进行设计，因此口的设计至关重要。所以在集成电路设计当中口的 重用性问题一定要高度重视。在此项目中p 的重用性也是设计的难点和重点问 题【2 】o 在设计当中，要从以下几个方面遵从p 可重用的设计方法： 代码风格：代码的适应能力要强，要求在不同环境，比如不同的f p g a 验证 第l 覃绪论 系统，不同水平的工艺条件下，都能很好的在最短时间完成p 的使用。仿真阶 段，对于不同的仿真器，t e 如e n c h 都要适应。对于特定模块，建议采用参数化 设计方法，方便修改。 设计工具采用：不依赖于一个特定的e d a 工具，比如综合，仿真等等。能 根据工艺条件适当变换综合约束条件的使用。对广泛应用的综合器要予以测试。 对于仿真器要有广泛的适应性，能提供不同阶段的仿真模型，方便使用。布局布 线等后面的设计要根据设计目标的不同适当采用，对于f p g a 的验证，要适应 x i l 妇和砧t e r a 的产品。对于a s i c 设计，要针对不同的工艺适当调整。 基于平台的设计：体现基于平台( p l a 怕m ) 的设计思想。针对此项目，设 计要考虑到以后扩展问题。如内部总线结构的调整不能影响模块的功能，要考虑 通用的体系结构，并要求有扩展能力，在设计当中保留相应的接口，利用寄存器 配置方式进行控制等方法达到平台设计的思想。 最后是详细的设计文档。 这是r e u s e 的根本基础。在设施阶段，作好设计，验证等阶段的文档，为 下一阶段的设计作好参考工作。 1 2 2 低功耗设计思想 对于嵌入式系统应用来说，系统的功耗是制约应用的很大因素。在移动产品 领域，应用服务对系统的功耗提出了苛刻的要求。在保证系统的性能的情况下， 利用各种手段来降低系统的功耗。 从设计角度考虑，芯片的功耗问题已经不是停留在器件模型上，而是要通过 在系统层面的低功耗设计来达到最终的目标。 影响功耗的主要因素有： 1 芯片工作的频率 2 芯片外围的负载电容 3 芯片的工作电压 4 芯片内部信号翻转的概率 现在国外的一些主流降低功耗的方法有： 1 采用更细的线条工艺，从而降低工作电压。现在o 1 3 u m 工艺条件下，电 源电压已经降到1 0 v 2 减少不必要的额外通路。主要通过逻辑控制降低额外数据通路的信号翻 转。 3 采用特定的单元电路，获得更低的电源电压。通过对单元电路的改进，去 掉不必要的逻辑，降低电压从而降低功耗。很多集中在d f f 的单元设计上。 北京工业大学工学硕士学位论文 4 c l o c kg a t i n g 技术。主要思想是把每个模块的c l o c k 都给控制起来。 由于现在设计很多情况下是同步系统，所以阻止闲置模块c l o c k 的方法可以很 大的降低信号的翻转频率。 5 控制系统的工作频率。在面积，时序和功耗三个方面折中考虑 6 采用e d a 设计工具来优化设计 1 2 3 软硬件协同验证 软硬件协同仿真是s o c 设计中非常关键的技术，很好的软硬件协同设计方 案可以达到很好的验证效果，更快的找到并且纠正错误。 软硬件协同设计主要包括以下几个阶段。 1 算法级设计和硬件系统结构的协同仿真验证 主要利用软件算法，验证在硬件结构上实现的可行性。主要利用高层次语言， 进行算法级的仿真。同时进行软件和硬件部分的划分，明确软件和硬件完成的工 作。 2 代码和硬件皿l 语言的协同仿真验证 主要是对s o c 当中c p u 软件代码和用皿l 语言或网表模拟出来的硬件系 统进行协同仿真验证。这个阶段主要应用c 语言和h d l 语言进行交互，进行仿 真。可以利用现有的e d a 工具，或者标准接口进行验证。 3 软件代码和实时硬件模拟系统的协同仿真验证 对系统设计原型的f p g a 硬件模拟系统进行验证，这主要是对芯片的功能， 硬件实时性，和系统的可测试性设计( d e s i 弘f o rt e s t ) 进行仿真验证。主要应用 e d a 的工具和p c b 的系统结构来进行。 4 基于芯片版图阶段的软硬件协同设计 这个阶段的仿真也主要是利用软件模拟来达到验证的目的，是芯片流片前最 后一次验证。 1 3s o c 设计中的可重用模块i p 核 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t ) r ) 内核模块是一种预先设计好的，并且已经验证的具有 某种确定功能的集成电路模块。它有几种不同形式【3 】。 i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) ，结构( s t m c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三级不同程度 的设计，对应有主要描述功能行为的“软m 内核( s o ri pc o r e ) 、完成结构描述的 “固p 内核( f i mi pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬p 内核( 1 棚i p c o r e ) ”3 个层次。这三个层次的p 模块会根据设计不同的需求应用到s o c 系统中 来。软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功 第1 章绪论 能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门级 电路级网表，并可以进行后续结构设计，具有最大的灵活性，可以很容易地借助 于e d a 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，根据各种不同的半导体工艺， 设计成具有不同性能的器件。硬口内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，并己经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供 给用户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。固口内核的设计深度则是介于软口内核和硬母内核之间，除了完成硬 i p 内核所有的设计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以 门电路级网表形式提交用户使用。 在s o c 的设计中，一些模块需要事先被设计为硬核，之后将硬化的模块集 成到芯片中，像存储器模块，锁相环模块就需要这样来处理。一些模块需要和芯 片整体综合。如下图1 1 所示：除了锁相环模块p l l 和一些像专用处理器这样的 全定制模块之外，其他的模块都需要和芯片整体综合。 图l ls o c 系统结构图 f i 9 1 一ls o c a r c l l i t e c t u r ed i 雒孵吼 硬核的优点在于，它们已经通过了一次物理验证，然后就可以被重复使用多 次。缺点在于，不够灵活，设计者无法对硬核进行任何的配置。而软核的优点在 于灵活性好，可移植性好，可以根据特定的工艺进行综合，布局布线。本文所设 计的就是软核。 1 4s o c 可重用设计的实现方法 基于标准片上总线设计方法和基于接口的设计方法是s o c 可重用设计方法 的很好解决方案。片上系统由若干大型预设计、预验证的可重用核加上一些专用 北京工业大学工学硕士学位论文 的模块组成。系统集成时，组件之间需要通讯。许多单芯片解决方案是采用定制 芯片设计方法，各设计公司根据自己的需求定义不同的系统体系结构。这种芯片 的功能单元难以重用于不同的应用环境。功能块集成到不同的系统时，如果通讯 协议不匹配，功能模块需要重新设计。因此通讯协议的不匹配将造成模块可重用 的一大障碍。为解决这一难题，各大集成电路设计公司建立了片上系统的总线 标准。通过共同的总线来实现模块间的互连，保证模块间的通讯，减少各模块间 的直接交互作用，容许各模块的设计并行开发，促进模块的重用。如i b m 开发 了c o r e c o l l l l e c t 总线体系结构，a r m 开发了a m b a 总线体系结构等等。 基于片上总线标准的模块虽然提高了设计的可重用性，但当模块应用于不同 的总线体系结构时仍需要重新设计。重用i p 模块时必须要解决的是如何将不同 来源的i p 与许多不同的不兼容总线进行接口。为了适应现代片上系统高度集成 的需求，实现更大范围的设计的重用，将总线规范进一步抽象化，引入了基于接 口的设计方法。因此标准片上总线保证的是模块间通信无误，而基于接口的设计 方法将不同来源的i p 集成到同一个总线平台。 1 5 课题研究内容 本论文的主要研究内容为： 详细阐述了s o c 的可重用设计的解决方案，主要是从基于总线的设计和基 于接口的设计两个方面来详细介绍了设计方法和理念。并且给出了i p 设计的完 成流程，包括规划制定设计规范、i p 设计和验证以及口的验证方案给出了详细 的阐述。 并且给出了三个接口类d 核的实现：应用于s o c 设计系统的i i cp ， s p i 口以及i i si p ，详细阐述了设计方法，v e r i l o g h d l 代码的编写、在r t l 级对 设计进行验证、之后为了进一步验证接口i p 的逻辑功能，将此模块集成到不同 系统中，为此模块编写测试程序，在系统中验证口的逻辑功能，并且将p 和系统 平台一起综合，并且下载到x i l 缸f p g a 中。最后，得到布局布线所得的网表， 再次检查模块在系统中工作的时序和逻辑功能。 1 6 论文内容 本论文主要由五个部分组成： 第一部分：绪论，对本论文研究背景和研究内容的概述； 第二部分：详细介绍i i c ，s p i 以及i i s 的接口协议； 第三部分：对y a ks o c 系统进行介绍。 第四部分：详细阐述i p 核的设计方法和设计流程。 第l 章绪论 第五部分：接口类口的设计实现与验证，是本论文的核心部分。详细介绍 了应用于a m b a 总线的接口类p 核的设计方法以及验证流程。 最后是结论部分，在总结本论文完成情况的基础上，指出在本方向进行研究 工作的展望与设想。 8 第2 章c ss p i 接口功能 第2 章i i c ，i i s ，s p i 接口功能 2 1s p i 接口功能 s p i ( s e r i a lp a r a l l e lb u s ) 总线是m o t o r o l a 公司提出的一个全双工三线同步串 行外设接口，采用主从模式架构；支持多s l a v e 模式应用，一般仅支持单m a l s t e r 。 容许c p u 与各种外围接口器件( 包括模数转换器、数模转换器、液晶显示驱动 器等) 以串行方式进行通信、交换信息。最早出现在m 6 8 系列单片机中，由于其 简单实用，又不涉及到专利问题，因此许多厂家的设备都支持该接口，广泛用于 外设控制领域。 它使用4 条线：同步串行时钟线( s c k ) 、主机输入从机输出线( m i s o ) 、主机 输出从机输入线( m o s i ) 、低电平有效的使能信号线( s s ) 。这样，仅需3 4 根数据 线和控制线即可扩展具有s p i 接口的各种i o 器件 4 】。 同步串行时钟线( s c k ) ：s c k 用来同步主从设备的数据传输，由m a s t e r 驱动 输出，s l a v e 设备按s c k 的步调接收或发送数据。 串行数据线( 主机输入从机输出线( m i s o ) 、主机输出从机输入线( m o s i ) ) ： s p i 接口数据线是单向的，共有两根数据线，分别承担m a s t e r 到s l a v e 、s l a v e 到 m a s t e r 的数据传输：m o t o r o l a 的经典命名是m o s i 和m i s o ，这是站在信号线的 角度来命名的。 m o s i ：m 1 e nm a s t e r ，o u tl i i l e ；w h e ns l a v e ，i i ll i l l e m i s o ：w h e nm a s t e r ，i i ll i n e ；w h e ns l a v e ，o u tl i i l e 比如m o s i ，该线上数据一定是m a s t e r 流向s 1 a v e 的。因此在电路板上， m a s t e r 的m o s i 引脚应与s 1 a v e 的m o s i 引脚连接在一起。双方的m i s o 也应该 连在一起，而不是一方的m o s i 连接另一方的m i s o 。不过，也有一些产家( 比 如m i c r o c m p ) 是按照类似s d i ，s d o 的方式来命名，这是站在器件的角度根据数 据流向来定义的。 s d i ：串行数据输入 s d o ：串行数据输出 这种情况下，当m a s t e r 与s 1 a v e 连接时，就应该用一方的s d o 连接另一个 方的s d i 。 由于s p i 接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必 然是一方的输出连接另一方的输入。其实这个问题本来很简单的，但由于不同厂 家产品的命名习惯可能不同，因此还需小心，以免低级出错。 北京工业大学工学硕士学位论文 设备选择线s s ( s l a v es e l e c t ，或c s ) ： s s 线用于选择激活某s l a v e 设备，低有效，由m a s t e r 驱动输出。只有当s s 信号线为低电平时，对应s 1 a v e 设备的s p i 接口才处于工作状态。 s p i 总线模式的数据是以字节为单位进行传输的( 一次传输可以传多个字节) ， 每字节为8 位，每个命令或者数据块都是字节对齐的( 8 个时钟的整数倍) 。数据按 位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比i i c 总线要快， 速度可达到几m b p s 。s p i 接口是以主从方式工作的，这种模式通常有一个主器件 和一个或多个从器件。 s p i 接口有四种不同的数据传输时序，取c p o l 和c p h l 这两位的组合。 在设备被使能激活后，还未进行数据传输时或两个字节数据传输间歇期间， s c k 处于空闲( i d l e ) 电平，通过”c p o l 空闲状态极性控制位”可以选择此空闲 电平是0 还是1 。 c p h a 该控制位用来选择数据接收端设备的采样时刻。可能在i d l et 0a c t i v e 的跳变沿，也可能在a c t i v et oi d l e 的跳变沿。在该采样时刻，线上数据必须已经 稳定可靠，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上。为了降低设计难 度，大部分接口电路都是用同一时钟周期中前一个时钟沿( 即相反时钟变化方向) 将数据移出。 s p i 线上的m a s t e r ，s l a v e 设备必须根据具体情况设置匹配的传输时序模式， 时序只有匹配，数据传输才能正常进行。如果设置的不匹配，可能导致数据接收 方和发送方在同一时钟沿作用，导致数据传输失败。如图2 1 ，2 2 所示。 s c k c p o l 1j s c kl c p o l = o 瞄i 嘲s o 嚣 s o k c ，c s c k o ，d 29 0 k c 39 c k c 曲ds o k o 旧7s c k 0 崩0 l几几几几几 广旷厂旷l 厂旷l 、( m s 8 6 x 5 烂：二二! ， l s 8y _ ( 昭b 6 5 厂 ， 啪 灯 一 广一 图2 1s p i 接口时序图1 f 磁一1s p ii n t e r et i m i i l gc h a nl 第2 章i i c ss p i 接口功能 s p i 也支持多s l a v e 应用。多个s l a v e 共享时钟线、数据线，可以直接并接 在一起；而各s l a v e 的片选线s s 则单独与m a l s t e r 连接，受m a s t e r 控制。 s c kf c p d l l l i s c k c p o l ；o l m 吲 枷 羁 c 蛐1o ，由2o 脯3o 嘲4 6o ，d 7o b l门门门_ 、介一 vv 、u1 、- _ ， km s b ( 6 ( 5 ) c 二二- ， l s b ， f 刁( m s bk 6 ) ( s ( ：二： ， xl s 8 一 。广 图2 2s p i 接口时序图2 f i 醇- 2s p ih n e r f 犯et i m m gc h 矾2 在一段时间内，m a l s t e r 只能通过某根s s 线激活一个s 1 a v e ，进行数据传输， 而此时其他s l a v e 的时钟线和数据线端口则都应保持高阻状态，以免影响当前数 据传输的进行。如图2 3 所示。 2 2 c 接口功能 图2 3 多s l a v e 结构图 f i 醇一3m u l t i s l a v es 仃u c t u r ed i a 乒锄 在消费者电子电讯和工业电子中看上去不相关的设计里经常有很多相似的 地方例如几乎每个系统都包括 1 一些智能控制通常是一个单片的微控制器 2 通用电路例如l c d 驱动器远程i o 口ra me e p r o m 或数据转换器 3 面向应用的电路譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电路或者 是音频拨号电话的d n 仰发生器 为了使这些相似之处对系统设计者和器件厂商都得益，而且使硬件效益最大 电路最简单。p m l i p s 开发了一个简单的双向两线总线，实现有效的i c 之间控制， 这个总线就称为i n t e r i c 或i i c 总线。现在p h i l i p s 包括超过1 5 0 种c m o s 和双 北京工业大学工学硕士学位论文 极性兼容i i c 总线的i c ，所有符合i i c 总线的器件组合了一个片上接口，使器件 之间直接通过i i c 总线通讯，这个设计概念解决了很多在设计数字控制电路时遇 到的接口问题 5 j 。 下面是i i c 总线的一些特征 1 只要求两条总线线路，一条串行数据线s d a ，一条串行时钟线s c l 2 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机 从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器 3 它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可 以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏 4 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达1o o k b i t s ，快速模式下 可达4 0 0 k b i 以，高速模式下可达3 4 m b i 讹 5 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整 6 连接到相同总线的i c 数量只受到总线的最大电容4 0 0 p f 限制 符合i i c 总线的c m o si c 还向设计者在特别吸引的可移植装置和电池供 电系统方面提供了特殊的功能： 1 极低的电流消耗 2 抗高噪声干扰 3 电源电压范围宽 4 工作的温度范围广 i i c 总线由串行数据s d a 和串行时钟s c l 线组成，在连接到总线的器件间 传递信息，每个器件都有一个唯一的地址识别，无论是微控制器l c d 驱动器存 储器或键盘接口，而且都可以作为一个发送器或接收器，这由器件的功能决定， 很明显l c d 驱动器只是一个接收器而存储器则既可以接收又可以发送数据，除 了发送器和接收器外器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机。主机是 初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。此时任何被寻址的器 件都被认为是从机。术语描述如图2 4 所示。 术语描述 发送嚣锭送效攥纠总线灼器件 接收臻从总线接收数据的器似 土机纫始他发送、产生时钟佾号和终止发送的器什 从饥 皱上机寻址的器件 多上机l u l l 砖仃移】。个上机尝试栉制总线，但不破坏报文 仲饿 是。