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。
4 fpga 设计和仿真
在 lcd_fct 的fpga 设计中，主要采用的vhdl 语言的程序设计[7]、max plus-ii 仿真以及soc 和lcd 的实际连接调试。lcd_fct 的hvdl 设计框架如下：
library
entity lcd_fct is
port( );
end lcd_fct;
architecture struct of lcd_fct is
signal
constant
begin
res: process;
clk :clk_div;
lcd: process;
begin
if init then
initialization;
elsif clr then
clear lcd;
elsif addr then
write address to lcd ram;
elsif data then
write data to lcd ram;
end if;
end process;
us: ustimer;
ms: mstimer;
end struct;
lcd 控制器ip 模块lcd_fct 的仿真结果如图3 所示。在图中左侧的信号就是lcd_fct 的输入/
输出信号。
图 3 lcd_fct 的功能仿真
当把write_e 设置成高电平时，指令写入lcd_fct。对于读写控制信号lcd_r_w 来说，低电平为写操作，高电平为读操作。由于该仿真都是lcd_fct 对lcd 进行写操作，lcd_r_w 始终为低电平。图中通过addrin 的变化来代表不同的指令。
在addrin 等于7fff 时，lcd_db 被赋值01。这意味着lcd 被清屏。当addrin 等于7ffe，且data_in 送入31 时，lcd_db 被赋值31，lcd 就会显示“1”。 addrin 被设置成7ffd，且data_in 等于8 时，被显示的字符将出现在显示屏的第8 个字符的位置，实现了定位显示功能。
当addrin 被赋值7ffc 时，lcd 被初始化。初始化包括功能设置、关闭显示、打开显示、清屏、显示移位和工作方式设置等操作。
由此可见，只要在soc 的mp 中加入适当的指令，可以对addrin 进行控制，soc 就可以完成对lcd 的管理。由于本设计中soc 的mp 是可重配置mp，添加或修改指令是不存在问题的。仿真表明，lcd_fct 的设计达到了设计目标，操作结果是令人满意的。一般的lcd 程序控制完成一项操作(如初始化)需要执行多条软件指令。用fpga 设计的lcd_fct 只要一条指令就能完成相应的操作，而且是硬件运行，效率提高了许多倍。
5 结论
组件控制器的设计是soc 设计的重要组成部分。采用fpga 是完成组件控制器设计的有效手段。通过lcd 控制器的设计和仿真，说明基于fpga 的组件控制器可以用一条指令完成原来许多条指令才能完成的操作，可以大大提高系统的运行效率。因此，这是一项有意义的工作。
本文作者创新点在于把fpga 设计和soc 的组件控制器联系起来，并通过一个具体例子介绍了如何设计单指令驱动的组件控制器。
山灵UA2平衡便携解码耳放线全渠道正式开售
焊接机器人焊缝跟踪寻位是什么？
质量好的连接器一定要有两个方面
LED封装形式有哪些
天猫精灵大升级 搭配“火眼”变得能听会看
基于FPGA的SOC外部组件控制器IP的设计
台湾首个照明共通标准问世 目标直指国际标准
Semtech携手巴西国家电信监管局Anatel保证整个巴西的LoRa技术运行
光泵浦技术让强大的量子点激光器又向前迈进了一步
Shopee视频技术落地产品
发现用户单相电表计量接线异常的反窃电方法
一种具有多重氢键的皮肤友好型导电水凝胶
辞旧迎新，北京雅士林新春致辞
对讲机蓝牙和电话连接问题
维信诺荣获中国手机最高荣誉 富士胶片集团发布21财年报
工程师电子制作故事：数字电源DIY设计
紫光国芯拟以发行股份方式收购长江存储
一起来认识下有关半钢电缆的几个重要的知识
芯片封装测试14个概念龙头股
中国的独角兽公司有哪些
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。
4 fpga 设计和仿真
在 lcd_fct 的fpga 设计中，主要采用的vhdl 语言的程序设计[7]、max plus-ii 仿真以及soc 和lcd 的实际连接调试。lcd_fct 的hvdl 设计框架如下：
library
entity lcd_fct is
port( );
end lcd_fct;
architecture struct of lcd_fct is
signal
constant
begin
res: process;
clk :clk_div;
lcd: process;
begin
if init then
initialization;
elsif clr then
clear lcd;
elsif addr then
write address to lcd ram;
elsif data then
write data to lcd ram;
end if;
end process;
us: ustimer;
ms: mstimer;
end struct;
lcd 控制器ip 模块lcd_fct 的仿真结果如图3 所示。在图中左侧的信号就是lcd_fct 的输入/
输出信号。
图 3 lcd_fct 的功能仿真
当把write_e 设置成高电平时，指令写入lcd_fct。对于读写控制信号lcd_r_w 来说，低电平为写操作，高电平为读操作。由于该仿真都是lcd_fct 对lcd 进行写操作，lcd_r_w 始终为低电平。图中通过addrin 的变化来代表不同的指令。
在addrin 等于7fff 时，lcd_db 被赋值01。这意味着lcd 被清屏。当addrin 等于7ffe，且data_in 送入31 时，lcd_db 被赋值31，lcd 就会显示“1”。 addrin 被设置成7ffd，且data_in 等于8 时，被显示的字符将出现在显示屏的第8 个字符的位置，实现了定位显示功能。
当addrin 被赋值7ffc 时，lcd 被初始化。初始化包括功能设置、关闭显示、打开显示、清屏、显示移位和工作方式设置等操作。
由此可见，只要在soc 的mp 中加入适当的指令，可以对addrin 进行控制，soc 就可以完成对lcd 的管理。由于本设计中soc 的mp 是可重配置mp，添加或修改指令是不存在问题的。仿真表明，lcd_fct 的设计达到了设计目标，操作结果是令人满意的。一般的lcd 程序控制完成一项操作(如初始化)需要执行多条软件指令。用fpga 设计的lcd_fct 只要一条指令就能完成相应的操作，而且是硬件运行，效率提高了许多倍。
5 结论
组件控制器的设计是soc 设计的重要组成部分。采用fpga 是完成组件控制器设计的有效手段。通过lcd 控制器的设计和仿真，说明基于fpga 的组件控制器可以用一条指令完成原来许多条指令才能完成的操作，可以大大提高系统的运行效率。因此，这是一项有意义的工作。
本文作者创新点在于把fpga 设计和soc 的组件控制器联系起来，并通过一个具体例子介绍了如何设计单指令驱动的组件控制器。
山灵UA2平衡便携解码耳放线全渠道正式开售
焊接机器人焊缝跟踪寻位是什么？
质量好的连接器一定要有两个方面
LED封装形式有哪些
天猫精灵大升级 搭配“火眼”变得能听会看
基于FPGA的SOC外部组件控制器IP的设计
台湾首个照明共通标准问世 目标直指国际标准
Semtech携手巴西国家电信监管局Anatel保证整个巴西的LoRa技术运行
光泵浦技术让强大的量子点激光器又向前迈进了一步
Shopee视频技术落地产品
发现用户单相电表计量接线异常的反窃电方法
一种具有多重氢键的皮肤友好型导电水凝胶
辞旧迎新，北京雅士林新春致辞
对讲机蓝牙和电话连接问题
维信诺荣获中国手机最高荣誉 富士胶片集团发布21财年报
工程师电子制作故事：数字电源DIY设计
紫光国芯拟以发行股份方式收购长江存储
一起来认识下有关半钢电缆的几个重要的知识
芯片封装测试14个概念龙头股
中国的独角兽公司有哪些