移動計算SoC IP組件設計

1 引言

　　移動操作或移動計算（mobile computing）原是通訊領域的研究方向，隨著數字無線通信技術和嵌入式計算技術的發展、應用與融合，移動操作已逐步成為嵌入式系統中很具發展潛力的一個領域［1］。SoC（System on a Chip）是嵌入式系統的研究和開發熱點［2］，其運用現代計算機和微電子學的高技術，實現單片系統集成，減小了體積、提高了運行效率、增強了可靠性、降低了功耗、減少了成本，被稱作嵌入式系統應用的理想結構。移動操作和SoC二者的結合開拓出了嵌入式系統研究與應用的新天地。為了解釋移動操作SoC的應用，這里舉一個例子，如圖1所示。

圖1 一種移動操作SoC的工作示意圖

　　在圖1中，移動操作SoC被設置在汽車上，它通過GSM通信網絡和控制中心、住家建立通信聯系。車主能夠通過汽車上的移動操作SoC控制住家的各種家用電器設備，如在回家的路上可以啟動電飯煲和微波爐；也可以向控制中心發出咨詢和數據提取信息。同時，車主可以通過移動操作SoC對住家內設置的保安系統、防火系統進行檢查，及時發現問題，并向控制中心求助。另一方面，住家的安全問題信息也可以通過GSM傳遞給控制中心和車主，以便及時采取措施。

　　當車主在住家時，汽車上的移動操作SoC和車上的防盜系統連接，在發生汽車被盜事件時，及時向車主和控制中心報警。

　　由此可見，在移動通信日益發達的今天，移動操作SoC必將成為嵌入式系統應用研究新的熱點之一，有著廣闊的發展空間。

　　2 移動操作SoC的結構

　　作為SoC在移動通信控制的分支，移動操作SoC和一般的SoC在設計上是相似的。作為一個系統的核心，SoC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應的組件配合。而多數組件，尤其是外部組件在SoC內都要有一個對應的控制器。所以，為了實現應用對象操作，SoC要設計相當數量的組件控制器。組件控制器的設計，對SoC而言就是一些IP（Intellectual Property）組件的設計。由于可編程器件PLD具有簡單易學、修改方便的特點，常常被用來作為設計IP組件的硬件支撐。

　　移動操作SoC的基本結構見圖2。在移動操作SoC中，核心是嵌入式微處理器MPU。實際上，多數的MPU和是由MPU或PLD設計與開發公司提供的，如MCS51系列的NIOS和32位的ARM系列MPU核，分別由Altera和Arm公司提供給用戶［3］。

圖2 移動操作SoC的基本結構

　　從用戶的角度來看，進行SoC設計的主要工作是IP組件的設計，以及系統的連接。盡管SoC的IP核分為硬核、軟核、固核，對于非專業集成電路設計的用戶來說，多數采用基于PLD的設計方法。也就是軟硬結合的IP固核設計。

　　從圖2可以看出，移動操作SoC的IP設計主要包括兩個部分：GSM接口IP組件和外部接口IP組件。其中GSM接口IP組件建立移動操作SoC和GSM網絡的通信聯系和相應的數據變換；外部接口IP組件則負責SoC與外部設備間的數據聯系，并對某些外部設備器驅動控制作用。

　　相對來說，外部接口IP組件包含的內容更豐富。因為，這類IP組件對應的外部設備范圍較廣，而GSM接口IP組件只對應GSM網絡。對一個嵌入了移動操作SoC的電子產品而言，常用的外部設備包括鍵盤、顯示、外部存儲器和鳴響器件等。無論是鍵盤、顯示、外部存儲器，還是鳴響器件，其相應的IP組件都具有一定驅動控制功能。

　　基于PLD設計SoC的IP組件是較常用的方法。目前，應用較多PLD器件是FPGA和CPLD，本文中介紹的IP組件設計是在基于VHDL編程的FPGA上完成的［4］。

　　3 移動操作SoC的IP組件設計

　　外部接口IP組件是移動操作SoC應用中常用且范圍較廣的IP組件。外部數據存儲器是SoC的一種常用外部設備。為了實現SoC對外部數據存儲器的高效管理，要設計一個外部數據存儲器IP組件。這個組件被命名為ram_fct。外部數據存儲器IP組件結構可參考圖3。

　　對照圖2，圖3中的ram_fct是外部數據存儲器的IP組件，處于外部數據存儲器和嵌入式MPU之間，通過數據（datain）、地址線（addrin）、控制（reset, write_e）和信號線（clk）等與MPU建立聯系。

圖3 外部RAM IP組件的結構