FPGA关于IP核设计与应用-文献综述

FPGAIP核设计与应用-文献综述摘要随着超大规模集成电路技术的不断发展，集成电路的集成度越来越高,，片上系统(SoC)的规模越来越大,因此片上系统的设计变得越来越复杂.。由于采用IP核复用技术可以简化多功能芯片的设计,开发IP核成为当前片上系统的重要设计手段。文中重点描述了IP核的设计技术,并以8051核和UART核为例说明IP软核的设计方法。最后通过8051核和UART核的应用实现对串口LCD的控制。关键词：IP核；串口LCD控制；1、主题1.1FPGA发展趋势FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列,通过软件编程对目标器件的结构和工作方式进行重构,能随时对设计进行调整。具有集成度高、结构灵活、开发周期短、快速可靠性高等特点。先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。时至今日，FPGA市场的主要业者仅剩数家，包括Altera、Xilinx、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等。但FPGA领域依然有新兴业者出现，例如AchronixSemiconductor、MathStar等。且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外，混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角，例如CypressSemiconductor的PSoC(ProgrammableSystem-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路，或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片：Fusion，或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(FieldProgrammableAnalogArray；FPAA)等，相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。1.2FPGA的一些基本类型：1.2.1大容量、低电压、低功耗FPGA大容量FPGA是市场发展的焦点。FPGA产业中的两大霸主：Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2007年Altera推出了65nm工艺的StratixIII系列芯片，其容量为67200个LE(LogicElement，逻辑单元)，Xilinx推出的65nm工艺的VitexVI系列芯片，其容量为33792个Slices(一个Slices约等于2个LE)。采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后,器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对FPGA的低电压、低功耗的要日益迫切。因此，无论那个厂家、哪种类型的产品,都在瞄准这个方向而努力。1.2.2系统级高密度FPGA随着生产规模的提高,产品应用成本的下降，FPGA的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而是将它灵活地应用于系统级设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA的IP硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA器件中，另一方面是大力扩充优化的IP软核，用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。1.2.3FPGA和ASIC出现相互融合虽然标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强、功耗低，但其设计复杂，并且有批量要求。FPGA价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、能力有限，而且功耗比ASIC大。正因如此，FPGA和ASIC正在互相融合，取长补短。随着一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元，FPGA制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣。1.2.4动态可重构FPGA动态可重构FPGA是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性，而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。对于数字时序逻辑系统，动态可重构FPGA的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成，而是通过对FPGA进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征，其内部逻辑块和内部连线的改变，可以通过读取不同的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构，时间往往在纳秒级，有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构【2】。1.2．IP核的现状和发展趋势IP核是将一些在数字电路中经常使用但比较复杂的功能块，如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂，调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此使用IP核是数字电路设计的一个发展趋势。IP内核可以在不同的硬件描述级实现，而产生了三类IP内核：软核、固核和硬核。这种分类主要依据产品交付的方式，而这三种IP内核实现方法也各具特色。长期以来，单片机以其性价比高、体积小、功能灵活等方面的独特优点被广泛应用。但受其内部资源的限制，单片机需要在片外扩展相关资源。为了达到处理速度和控制灵活性方面的需求，采用微控制器和可编程逻辑器件设计单片机嵌入式系统。随着现场可编程逻辑阵列(FPGA)及EDA技术的发展，百万门级的FPGA、可重构的嵌入式MCU核、功能复杂的IP核及各种功能强大的EDA工具的出现，实现将MCU、存储器和一些外围电路集成到一个芯片成为可能。随着IP核技术在FPCA中的应用，特别是MCUIP核技术的发展。出现了性能不同的嵌入式MCU软核。MCS-51系列MCU是目前应用时间最长、最普及、可获得应用资料最多的功能强大的8位MCU，建立805lMCU可综合IP核对于各种嵌入式系统和片上系统(SOC)的应用。针对8051MCU的应用前景，出现了几个比较典型的805lIP核，如DW8051核．OpenCore组织的0C8051核及T51核，MC805l核等。这些IP核都是采用HDL语言描述的软MCU内核，其与工艺无关，能够在多种FPGA上进行逻辑综合及实现。这里采用免费的MC805lIP核，通过对MC8051结构原理的分析，详细论述其在FPCA中的实现及应用。MC8051IP核基本结构及原理：MC8051是与MCS一5l系列微处理器指令集完全兼容的8位嵌入式微处理器，通过芯核重用技术，可广泛应用在一些面积要求比较苛刻，而对速度要求不是很高的片上系统中。MC8051功能特点：采用完全同步设计：指令集和标准8051微控制器完全兼容；指令执行时间为l～4个时钟周期，执行性能优于标准805l微控制器8倍左右；用户可选择定时／计数器、串行接口单元的数量，最多可增加到256组；新增特殊功能寄存器用于选择不同的定时／计数器、串行接口单元；可选择是否使用乘法器(乘法指令MUL)；可选择是否使用除法器(除法指令DIV)；可选择是否使用十进制调整功能(十进制调整指令DA)；I/0口不复用，无双向数据I／O端口，输入、输出端口独立；内部带256ByteRAM；⑾最多可扩展至64KB的ROM和64KB的RAM；与工艺无关，可通过修改VHDL源代码扩展及参数化设置【3】【6】。UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter通用异步收发器)是一种广泛应用的串行数据传输协议，支持串行链路上的全双工通信．它以其硬件资源简单、操作方便、工作可靠、抗干扰强、易于实现等特点得到了广泛的应用．然而，传统上一般采用专用集成电路实现，如TI、EXAR、EPIC的550、452等系列，这对于多串口的设备或嵌入式系统来讲就不能够满足要求，因此，设计一种高性能、易于嵌入式集成的UART就成为一件非常有意义的事情【6】。1.3.CYCLONEII器件Altera推出的CycloneIIFPGA是Cyclone系列低成本FPGA中的最新产品。Altera于2002年推出的Cyclone器件系列永远地改变了整个FPGA行业，带给市场第一也是唯一的以最低成本为基础而设计的FPGA系列产品。Altera采用相同的方法在尽可能小的裸片面积下构建了CycloneII系列。CycloneIIFPGA系列提供了与其上一代产品相同的优势——一套用户定义的功能、业界领先的性能、低功耗但具有更多的密度和功能，极大地降低了成本。CycloneII器件扩展了低成本FPGA的密度，最多达68，416个逻辑单元（LE）和1.1M比特的嵌入式存储器。CycloneII器件的制造基于300mm晶圆，采用台积电90nm、低K值电介质工艺，这种可靠工艺也曾被用于Altera的Stratix®II器件。这种工艺技术确保了快速有效性和低成本。通过使硅片面积最小化，CycloneII器件可以在单芯片上支持复杂的数字系统，而在成本上则可以和ASIC竞争【1】。1.4.VHDL语言特点及优势VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计【4】。5.LCD(液晶显示器）现状、发展趋势以及研究成果LCD显示器在笔记本电脑的发展历程中叶发挥过不同的作用，但随着液晶显示技术的不断进步，基于LCD在笔记本电脑市场占据多年的领先地位之后，具备平滑显示屏幕的LCD液晶显示器又开始逐步地进步桌面系统市场。笔记本电脑为了达到轻、薄，小灯功能，率先采用LCD液晶面板作为显示器。发展至今，更多的电子产品都纷纷采用LCD作为显示面板（如移动电话、便携式电视、游戏机等），因而也令LCD产业得到了蓬勃的发展。液晶显示技术是在不断发展完善的，未来的额趋势是向着大屏幕、追求高速响应时间、高分辨率、高对比度、低功耗，易于携带等方向发展，随着科学技术的进步，也给这一领域提出了新的机遇和挑战。伴随当今高度发展的信息时代，涉及半导体技术光电器件、电子电路、集成电路、信息图像处理、信息传输、计算机网络以及电子产品制造和电子产品安装工程等相关技术的LCD显示屏在信息领域显得尤为活跃，在各行业的应用及普及方面也取得了长足的进步。从LCD材料得不断更新，灰度控制技术的发展，站彩色图像的展现；到驱动电路的灵活、高效，控制系统技术的提高无不体现了LCD行业技术的飞跃发展。另外，随着计算机网络技术的发展，LCD显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成额信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。现存显示的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换盒数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为关注并研究开发和应用的关键技术包括：串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技、自动检测、远程控制技术等。LCD按其功能可分为笔段式、字符点阵式和图形点阵式3类。本文采用的就是字符点阵式serialLCD，字符点阵式LCD是用来显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。本文采用FPGA（现场可编程门阵列）设计液晶显示内容，其优点是与专用集成