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1、山东大学硕士学位论文基于FPGA的小型CPU中通信协议的研究及IP Core的开发姓名：李明申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：卢雷20090410山东大学硕士学位论文摘要F P G A 作为新一代集成电路的出现，引起了数字电路设计的巨大变革。随着F P G A 工艺的不断更新与改善，越来越多的用户与设计公司开始使用F P G A 进行系统开发，因此，P F A G 的市场需求也越来越高，从而使得F P G A 的集成电路板的工艺发展也越来越先进，在如此良性循环下，不久的将来，F P G A 可以主领集成电路设计领域。正是由于F P G A 有着如此巨大的发展前景与市场吸引力，因此，本文
2、采用F P G A 作为电路设计的首选。随着F P G A 的开发技术日趋简单化、软件化，从面向硬件语言的V H D L、V e r i l o gH D L 设计语言，到现在面向对象的S y s t e mV e r i l o g、S y s t e m C 设计语言，硬件设计语言开始向高级语言发展。作为一个软件设计人员，会很容易接受面向对象的语言。现在软件的设计中，算法处理的瓶颈就是速度的问题，如果采用专用的硬件电路，可以解决这个问题，本文在第一章第二节详细介绍了软硬结合的开发优势。另外，在第一章中还介绍了知识产权核心(I PC o r e)的发展与前景，特别是I PC o r e中软核
3、的设计与开发，许多F G P A 的开发公司开始争夺软核的开发市场。数字电路设计中最长遇到的就是通信的问题，而每一种通信方式都有自己的协议规范。在C P U 的设计中，由于需要高速的处理速度，因此其内部都是用并行总线进行通信，但是由于集成电路资源的问题，不可能所有的外部设备都要用并行总线进行通信，因此其外部通信就需要进行串行传输。又因为需要连接的外部设备的不同，因此就需要使用不同的串行通信接口。本文主要介绍了小型C P U 中常用的三种通信协议，那就是S P I、1 2 C、U A R T。除了分别论述了各自的通信原理外，本文还特别介绍了一个小型C P U 的内部构造，以及这三个通信协议在C
4、P U 中所处的位置。在硬件的设计开发中，由于集成电路本身的特殊性，其开发流程也相对的复杂。本文由于篇幅的问题，只对总的开发流程作了简要的介绍，并且将其中最复杂但是又很重要的静态时序分析进行了详细的论述。在通信协议的开发中，需要注意接口的设计、时序的分析、验证环境的搭建等，因此，本文以S P I 数据通信协议的设计作为一个开发范例，从协议功能的研究到最后的验证测试，将F P G A山东大学硕士学位论文的开发流程与关键技术等以实例的方式进行了详细的论述。在S P I 通信协议的开发中，不仅对协议进行了详细的功能分析，而且对架构中的每个模块的设计都进行了详细的论述。关键词：F P G A；S P
5、I；1 2 C；U 鲇玎；静态时序分析；验证环境I I山东大学硕士学位论文A B S T R A C TF P G Aa st h ee m e r g e n c eo ft h en e wg e n e r a t i o ni n t e g r a t e dc k c m th a sc a u s e dg r e a tt r a n s f o r m a t i o no ft h ed i g i t a lc i r c u i td e s i g n A l o n g、析t hF P G At e c h n o l o g yu p d a t ea n di
6、m p r o v e m e n t，m o r ea n dm o r eu s e r sa n dd e s i g nc o m p a n i e su s i n gF P G Ab o a r ds y s t e m，t h e r e f o r e，t h eP F A Gm a r k e td e m a n di sa l s og e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r,a l l o w i n gF P G Ai n t e g r a t e dc i r c u i tb o a r dt e c h n o l o
7、g yd e v e l o p m e n t，i ns u c hp o s i t i v ec y c l e，t h en e a rF u t u r e，F P G AC a l lg e tt h em a i nf i e l do fi n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n B e c a u s eF P G Ah a st h u sh u g ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t sa n dm a r k e tp o t e n t i a l，t h e r e f o r e，
8、t h i sa r t i c l eu s e sF P G Aa st h ef i r s tc h o i c ef o rd e s i g n、斫t 1 1t h ed e v e l o p m e n to fF P G At e c h n o l o g yi n c r e a s i n g l ys i m p l i f i c a t i o n，f o r mh a r d w a r e-o r i e n t e dl a n g u a g e，s u c ha sV H D La n dV e r i l o gH D Ld e s i g nl a
9、n g u a g e，t ot h ep r e s e n to b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e，s u c ha sS y s t e mV e r i l o ga n dS y s t e m Cd e s i g nl a n g u a g e，t h eh a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g eh a sd e v e l o p e di n t oah i g h l e v e ll a n g u a g e A ss o f t w a r ed e s i g n e r,w
10、i l lb ee a s yt oa c c e p tt h eo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e N o wi ns o f t w a r e sd e s i g n,t h ea l g o r i t h mp r o c e s s i n gp r o b l e mi st h es p e e dq u e s t i o n，i fu s e st h es p e c i a l p u r p o s eh a r d w a r ec i r c u i t，m i g h ts o l v et h i sp r
11、 o b l e m T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eu n i o nd e v e l o p m e n ts u p e r i o r i t yi nd e t a i li nf i r s tc h a p t e r I na d d i t i o n，i nt h ef i r s tc h a p t e ra l s oi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c
12、 to fi n t e l l i g e n tp r o p e r t yc o r e(I PC o r e)，b e g a nc o m p e t i n gf o rt h eI Pc o r em a r k e t I Pc o r e，m a n yd e v e l o p m e n tc o m p a n i e sI nt h ed i g i t a lc i r c u i td e s i g nm o s te n c o u n t e r e dp r o b l e mi st h ec o m m u n i c a t i o n，a n d
13、e a c hc o m m u n i c a t i o nh a si t so w np r o t o c 0 1 I nC P Ud e s i g n，b e c a u s en e e d st h eh i g h s p e e dp r o c e s s i n g，t h e r e f o r ei t si n t e r n a lu s e dp a r a l l e lB U St oc o m m u n i c a t e，b u tb e c a u s et h er e s o u r c e so fi n t e g r a t e dc
14、i r c u i t s，i ti si m p o s s i b l et ob ea l le x t e r n a ld e v i c et oc o m m u n i c a t e、析t hp a r a l l e lb u s，S Ot h ee x t e r n a lc o m m u n i c a t i o no nt h en e e df o rs e r i a lt r a n s m i s s i o n A l s ob e c a u s eo ft h en e e dt oc o n n e c td i f f e r e n te x
15、 t e r n a ld e v i c e s，S Ot h eC P Uw i l ln e e dt ou s ed i f f e r e n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s T h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e sas m a l lI I I山东大学硕士学位论文C P Ui nt h et h r e ec o m m o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s，t h
16、a ti s，S P I，1 2 Ca n dU A R T I na d d i t i o nt oe x p o u n d i n gt h e i rc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e，t h ea r t i c l ea l s oh i g h l i g h t e das m a l lC P U。Si n t e r n a ls t r u c t u r e，a sw e l la st h et h r e ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h eC P
17、Up o s i t i o n I nh a r d w a r e Sd e s i g nd e v e l o p m e n t，b e c a u s eo ft h es p e c i f i c i t yo fi n t e g r a t e dc i r c u i t，S Oi t sd e v e l o p m e n tp r o c e s si sr e l a t i v e l yc o m p l e x T h i sa r t i c l ea sar e s u l to ft h el e n g t hq u e s t i o n，h a
18、so n l ym a d et h eb r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eo v e r a l ld e v e l o p m e n tf l o w,a n do n eo ft h em o s tc o m p l e xb u tv e r yi m p o r t a n tf o rs t a t i ct i m i n ga n a l y s i sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l I nt h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t
19、i o np r o t o c o ln e e d st op a ya t t e n t i o nt oi n t e r f a c ed e s i g n，t i m i n ga n a l y s i s，v e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n ts t r u c t u r e s，e t c T h e r e f o r e，t h i sa r t i c l et a k e sad e v e l o p m e n tm o d e lb yt h eS P Id a t ac o m m u n i c a t
20、 i o np r o t o c o l Sd e s i g n，f r o mp r o t o c o lf u n c t i o n Sr e s e a r c ht ot h ef i n a lv e r i f i c a t i o nt e s tw i l lb eF P G Ad e v e l o p m e n tp r o c e s s e sa n dk e yt e c h n o l o g i e s，s u c ha se x a m p l e so ft h em a n n e rd i s c u s s e di nd e t a i l
21、 I nS P Ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e v e l o p m e n t，n o to n l yh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e df u n c t i o n a la n a l y s i st ot h ea g r e e m e n t，a n dh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o nt ot h ec o n s t r u c t i o ne a c hm o d u l e
22、 Sd e s i g n K e y w o r d：F P G A；S P I；1 2 C；U A R T；S t a t i cT i m i n gA n a l y s i s；V e r i f i c a t i o nI V原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：耋调E l论文作者签名：篁!塑关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有
23、关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：!耋塑导师签名：山东大学硕士学位论文1 1F P G A 的发展与前景第1 章绪论F P G A 是英文F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在P A L(P r o g r a m m a b l eA r r a yL
24、 o g i c)、G A L(G e n e r i cA r r a yL o g i c)、C P L D(C o m p l e xP r o g r a m m a b l eL o g i cD e v i c e)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路A S I C(A p p l i c a t i o nS p e c i f i cI n t e g r a t e dC i r c u i t)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。自1 9 8 5 年X i l i n x 公司推出第一片现场
25、可编程逻辑器件(F P G A)至今，F P G A已经历了二十几年的发展历史。在这个发展过程中，以F P G A 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展，现场可编程逻辑器件从最初的1 2 0 0 个可利用门，发展到9 0 年代的2 5 万个可利用门，而现在国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商A l t e r a 公司、X i l i n x 公司又陆续推出了数百万门的单片F P G A 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平【。F P G A 是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它能够完成任何数字器件的功能，上至高性能C P U，下至简单的逻辑门电路，都可以用F P
26、 G A 来实现。F P G A 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在P C B(P r i n t e dC i r c u i tB o a r d)完成以后，还可以利用F P G A 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用F P G A 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少P C B 面积，提高系统的可靠性。F P G A 的优点使F P G A 技术在9 0 年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了E D A(E l e c t r o n i cD e s i
27、 g nA u t o m a t i o n)软件和硬件描述语言的进步。F P G A 的开发也趋向于简单化。目前，F P G A 的开发软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解F P G A 的内部结构，也可以用自己熟悉的方法，如原理图输入或H D L(H a r d w a r eD e s c r i p t i o nL a n g u a g e)语言来完成相当优秀的F P G A山东大学硕士学位论文设计。现在功能最完善的F P G A 开发软件是A l t e r a 公司的Q u a r t u s l I 跟X i l i n x 公司的I S EW e b P a
28、c k。这两种开发软件分别对应他们公司下面的F P G A 芯片。对于F P G A 产品，一般分为：基于乘积项(P r o d u c t T e r m)技术，E E P R O M(E l e c t r i c a l l yE r a s a b l eP r o g r a m m a b l eR e a dO n l yM e m o r y)工艺的中小规模F P G A，以及基于查找表(L o o k U pt a b l e)技术、S R A M(S t a t i cR a n d o mA c c e s sM e m o r y)工艺的大规模F P G A。E E P
29、 R O M 工艺的F P G A 密度小，多用于5 0 0 0f-j 以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。S R A M 工艺的F P G A，密度高，触发器多，多用于1 0 0 0 0 门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法【2】o纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：F P G A 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使F P G A 越来越多地取代了A S I C 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使F P G A 成为首选。目前，F
30、 P G A 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统(S O P C)的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其I P 库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓F P G A 动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。1 2 软硬结合的发展优势在通信与图像处理系统中，最重要的设计核心就是算法的实现，这也是最难开发与优化的逻辑部分。现在有很多软件可以进行通信或图像的处理，但是当需求越来越高，要求处理时间越来越短的情况下，软件就会达到他的处理瓶颈，当设计者试图从算法中获得最佳性能但
31、软件方法已无计可施时，可以通过硬件软件结合开发的方式来进行优化。F P G A 易于实现软件模块和硬件模块的相互交换，且不必改变处理器或进行板级变动。低成本可编程逻辑在嵌入式系统中的应用越来越普遍，这为系统设计者提供了一个无需对处理器或架构进行大的改动即可获得更高性能的可选方案。可2山东大学硕士学位论文编程逻辑可将计算密集型功能转换为硬件加速功能。从软件的角度看，这只是简单地将一个函数调用做进一个定制的硬件模块中，但运行速度要比通过汇编语言优化的相同代码或将算法转换为查找表要快得多。硬件加速是指利用硬件模块来替代软件算法，充分利用了硬件所固有的快速特性。从软件的角度看，与硬件加速模块接口就跟调
32、用一个函数一样。唯一的区别在于此函数驻留在硬件中，对调用函数是透明的。取决于算法的不同，执行时间最高可加快1 0 0 倍。硬件在执行各种操作时要快得多，如执行复杂的数学功能、将数据从一个地方转移到另一个地方，以及多次执行同样的操作等。当采用基于F P G A 的嵌入式系统时，在设计周期之初不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择，设计者可以在设计周期的任何时候都可以添加定制的硬件。设计者可以立刻编写软件代码，并可在最终定稿之前在硬件部分上运行。此外，还可以采取增量法来决定哪部分代码用硬件而不是软件来实现。如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用F P G A 中现有的硬件资源来加速软件代
33、码中的瓶颈部分。由于F P G A 中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。因此，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动。设计者不必转换到另一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。使用带可配置处理器的F P G A 可获得设计的灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。另外，基于F P G A 有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。算法可以用软件，也可用硬件实现。出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。软件可
34、以优化，但有时是不够的。如果需要更高的速度，就需要利用硬件的加速算法来实现。F P G A 使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进行板级变动。设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。利用F P G A 可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。而F P G A 供应商所提供的开发工具可实现硬件和软件之间的无缝切换。这些工具可以为总线逻辑和中断逻辑生成H D L 代码，并可根据系统配置定制软件库及i n c l u d e3山东大学硕士学位论文文件。如果将实现算法的硬件逻辑进行优化，可以将复杂的算法仅仅在几个时钟周期，即几个纳秒内就可以完
35、成，而这是在软件里所无法达到的，因此，在开发专用的通信系统或者是图像处理系统的时候，可以采用软硬结合的方法，以达到系统的高性能。1 3 开发模式的选择F P G A 出现之前，A S I C(专用集成电路)开发模式一直主领市场。但是其昂贵的开发成本和冗长的开发周期，使得不少中小用户望而止步。随着F P G A 的出现及发展，越来越多的用户开始选用F P G A 来进行开发，特别是在当今开发成本和开发时间的压力下，迫使设计人员不得不去寻找具有灵活性、安全性和可靠性的开发模式。正是这些“必不可少的”产业条件为F P G A 创造了极大的机会，使其能涉足那些传统上被开发周期长、成本高的A S I C
36、 技术所占据的市场。根据分析预测，从2 0 0 2 年到2 0 0 8 年，可编程逻辑器件(P L D)市场将有约2 3 5 的增长，即由2 3 亿美元增加到5 4 亿美元【3】。目前的挑战在于如何使F P G A 更像“A S I C”，以便更轻松地实现成功的过渡，即降低总体系统成本、单件成本及功耗。这就要求F P G A 具备类似“A S I C”的特点，如更高的设计安全性和可靠性、采用单芯片技术及上电即行。下面就开发周期、成本、性能几个方面论述基于F P G A 开发的优势。1 开发周期简单而言，A S I C 从立项、开发到样片一般要经过1 2 18 个月的过程，这还只是在很理想的状态
37、下，例如一次流片通过。但这种情况出现的几率少之又少。而且就A S I C 而言，所有检测都必须在进入物理实现A S I C 硬件阶段之前仿真进行。相比之下，通过F P G A 来开发产品的周期只是3 6 个月。2 开发成本对于大型项目，A S I C 的一次流片就高达5 0 0 万美元，而且为了保证能够一次成功，其测试成本也是一笔不小的数目。相比而言，F P G A 所需要的开发成本仅仅是A S I C 的几分之一、十几分之一、甚至几十分之一。而且，由于F P G A 的4山东大学硕士学位论文现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片，而不是替换芯片，这样大大降低了
38、测试成本和开发风险。3 高集成度和灵活性从消费电子的发展来看，这个市场较之以前已经有了很大的不同。客户要求产品的更新换代的周期越来越短，并要求不断的集成更多的、层出不穷的、新的技术和应用，而且又要求严格控制成本。因此，F P G A 在灵活性上就具备了天然的优势。而且，即便是厂商在用A S I C 手段实现产品的时候，如果考虑到以后的升级问题，则软件的兼容程度也是个不容忽略的问题。而如果采用F P G A 就完全不需要考虑这方面的问题。4 高性能不可否认，用A S I C 实现的专用芯片在性能上确实具备很强的优势，比如高性能、低功耗等。但与此同时，F P G A 产品在这方面近几年也取得了显著
39、的改进。现在F P G A 的性能已经能够满足大多数应用的需要(要求最高的应用除外)，而且密度水平也达到了逻辑设计的8 0，在功耗方面也有很大的改善，在某些领域已经完全可以替代A S I C。未来的2 0 年，随着半导体产业的发展，设计人员不断追求更低的功耗、更小的器件尺寸、更短的开发时间和更低的成本，用心制定航线，绕过前进中的各种障碍(包括A S I C 的成本问题)非常重要。随着F P G A 的容量越来越大、性能越来越高、能力越来越强，而且集成度和灵活性越来越好，基于F P G A 开发会主领市场。1 4I PC o r e 的发展背景I P(I n t e l l e c t u a
40、lP r o p e r t y)C o r e 是知识产权核心的意思，它指的是用于产品应用专用集成电路(A S I C)或者可编辑逻辑器件(F P G A)的逻辑块或数据块。它将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块，设计成可修改参数的模块，让其他用户可以直接调用这些模块，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复劳动。知识产权核心分为三大种类：硬核，中核和软核。硬件中心是知识产权构思的物质表现。这些利于即插即用应用软件并且比其它两种类型核的轻便性和灵活性要差。像硬核一样，中核(有时候也称为半硬核)可以携带许多配置数据，而5山东大学硕士学位论文且可以配置许多不同的应用软件。三者之中最有灵活性的就
41、是软核了，它存在于任何一个网络列表(一列逻辑门位和互相连接而成的集成电路)或者硬件描述语言(H D L)代码中。随着F P G A 的规模越来越大，设计越来越复杂，使用I PC o r e 是一个发展趋势。当然不同的设计公司设计的I PC o r e 也不尽相同，许多F P G A 的设计公司都有自己的I P 库，并且不断充实和完善自己的I P 库，I PC o r e 越多，覆盖面越广泛，就越容易在投标中突出自己的优势，迅速占领开发市场。许多公司也推荐使用现成的或经过测试的宏功能模块、I P 核，用来增强已有的H D L 的设计方法。当在进行复杂系统设计的时侯，这些宏功能模块、I P 核无疑
42、将大大地减少设计风险及缩短开发周期。使用这些宏功能模块、I P 核，就会将更多的时间和精力放在改善及提高系统级的产品方面，而不需要重新开发现成的宏功能模块、口核。由于我国在F P G A开发方面起步比较晚，I P 核库的建设已相当迫切，它是集成电路产业发展的一个重要目标。1 5 本文主要研究的内容和开展的工作1 分析了F P G A 的发展现状，提出了软件与硬件结合的开发理念。从开发成本、开发周期、集成度与灵活性、性能等几个方面，详细分析了F P G A 与A S I C 的开发模式。2 对一般小型C P U 的内部构造进行了研究，并对其中常用的三个通信协议所处的工作环境进行了分析。3 对S
43、P I、1 2 C、U A R T 三个通信协议，从组成结构、时序、工作原理等方面进行了细致的研究。4 对基于F P G A 的开发流程进行了分析，并对其中的关键技术静态时序分析进行了研究。5 根据S P I 数据通信协议的要求，设计并开发出小型C P U 中的S P I 数据通信接口，并且单独将S P I 的开发与测试进行了详细的剖析，特别是对验证环境的搭建进行了细致的分析。6山东大学硕士学位论文1 6 本文的组织结构第一章，绪论。本章主要描述了F P G A、I PC o r e 的发展历史及前景，论述了软件与硬件的开发优势，并对F P G A 与A S I C 的开发模式进行了对比，最后
44、介绍了本文主要研究的内容和开展的工作。第二章，小型C P U 中的数据通信协议。本章主要描述了S P I、1 2 C、U A R T 三个数据通信协议。本章首先论述了一个小型C P U 的内部构造，并以此引出通信协议在C P U 中的作用及工作环境，最后对常用的三个通信协议分别进行了详细的论述。第三章，F P G A 的开发流程。本章主要描述了基于F P G A 的开发流程，并详细论述了静态时许分析的重要性及改进方法。第四章，S P I(主设备)的架构设计。本章主要是根据S P I 通信协议对C P U 中的S P I 通信接口进行框架设计。本章首先对S P I 数据通信接口进行了功能分析，并
45、根据S P I 通信协议的内容定义了接口，设计了主架构，最后进行了总体的时序分析。第五章，S P I(主设备)的详细设计。本章主要对S P I(主设备)架构中的各个模块进行了详细描述。第六章，S P I(主设备)的功能验证。本章主要是对设计出来的S P I 通信模块进行详细的功能验证。本章首先搭建出针对S P I 运行时所需要的工作环境，并描述了整体验证流程，最后对该验证环境中的各模块设计进行了描述。第七章，总结与展望。本章主要总结了本文所作的工作，并对未来的发展提出了一点看法。7山东大学硕士学位论文第2 章小型C P U 中的数据通信协议2 1 小型C P U 的一般构造8图2 1L P C
46、 2 2 1 0 内部架构图山东大学硕士学位论文L P C 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位A R M 7 T D M I S T MC P U。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位T h u m b 模式将代码规模降低超过3 0，而性能的损失却很小。由于L P C 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位A D C、P W M 输出以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(P O S)。由于内置了宽范围的串行通信接口，L P C 2 2 1 0 也非常适合于通信网关、协
47、议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用【4】。L P C 2 2 1 0 内部采用了A R M 7 T D M I S 通用3 2 位微处理器，它是基于精简指令集计算机(R I S C)原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。内部自带的S R A M 存储器可支持8 位、1 6 位和3 2 位访问，而且通过外部存储器控制器，可同时支持4 个可单独配置的外部存储器组的工作。具有可编程分配机制的中断控制器，根据不同外设的中断优先级可以动态分配和调整中断请求。并装载有看门狗定时器，可以在
48、微控制器进入错误状态后复位，防止系统死锁。由于内部集成了1 2 C、S P I、U A R T 三个常用的通信接口(图2 1 中三个灰色标注的方框)，因此，在通信方面的应用非常广泛，各接口在L P C 2 2 1 0 中的特性分析如下：1 S P I 接口L P C 2 2 1 0 包含2 个S P I 接口。S P I 是一个全双工的串行接口，它设计成可以处理在一个给定总线上多个互连的主机和从机。在一定数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机通信。在一次数据传输中，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。其特性有：遵循串行外设接1 3(S P I)规范，同步
49、、串行、全双工通信，组合的S P I 主机和从机，最大数据位速率为输入时钟速率的1 8 等。2。1 2 C 接口1 2 C 是一个双向总线，它使用两条线：串行时钟线(S C L)和串行数据线(S D A)实现互连芯片的控制。每个器件都通过一个唯一的地址来识别，这些器件可以是9山东大学硕士学位论文只接收器件，或是可以发送和接收信息的发送器。1 2 C 是一个多主总线，它可以由超过一个总线主控器进行控制。其特性有：标准的1 2 C 总线接口，可配置为主机、从机或主从机，可编程时钟可实现通用速率控制，主机从机之间双向数据传输，多主机总线(无中央主机)，同时发送的主机之间进行仲裁，串行时钟同步使器件在
50、一条串行总线上实现不同位速率的通信等。3)U A R T 接口L P C 2 2 1 0 包含2 个U A R T。一个U A R T 提供一个完全的调制解调器控制握手接口。另一个U A R T 只有发送和接收数据线。其特性有：1 6 字节接收和发送F I F O，寄存器位置遵循5 5 0 工业标准，内置波特率发生器，U A R T l 包含标准调制解调器接口信号等。2 2S P I 数据通信协议2 2 1 工作方式的分析图2 2S P I 运行方式图S P I(S e r i a lP e r i p h e r a li n t e r f a c e)是串行外围设备接口的简称，是美国M