采用IP模塊和PLD設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)可編程器件輔助軟件的設(shè)計(jì)

1、引言

在基于MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用“MCU+PLD”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PLD器件具有在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程的能力，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的I/O接口等外圍功能。在這類系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的數(shù)字邏輯可在PLD器件內(nèi)部完成。在設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能利用以往設(shè)計(jì)中已使用過(guò)的IP模塊，這些模塊的設(shè)計(jì)已成熟、并經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)，可提高設(shè)計(jì)的重復(fù)利用率，并使系統(tǒng)性能和質(zhì)量得到保證。 在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)工作中，人們已積累了大量的IP 模塊，如在一個(gè)新的設(shè)計(jì)中加以利用，必然存在如何管理這些模塊的問(wèn)題。為此可采用“集約式”的設(shè)計(jì)方法，以提高設(shè)計(jì)效率。硬件“集約式”的設(shè)計(jì)方法如圖1所示，它類似于軟件中高級(jí)語(yǔ)言的設(shè)計(jì)方式。先用HDL語(yǔ)言對(duì)各種不同功能的電路模塊建立IP模塊，創(chuàng)建電路單元IP庫(kù)。然后根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，從庫(kù)中選取不同的電路單元組成描述外圍接口電路的HDL程序。最后，用相應(yīng)的PLD 設(shè)計(jì)工具對(duì)HDL程序進(jìn)行邏輯綜合，在PLD器件內(nèi)部完成布局布線，生成最終的數(shù)字電路。由于這些電路單元是用HDL語(yǔ)言描述的，而HDL語(yǔ)言的特點(diǎn)就是與工藝無(wú)關(guān)，因此用它描述的電路單元的可移植性非常好，可以在采用不同工藝制造的PLD器件中使用。于是，電路單元庫(kù)可以用在不同的系統(tǒng)中，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)與資源浪費(fèi)。

Xilinx公司和Altera公司的設(shè)計(jì)工具中，提供了一些HDL形式的電路庫(kù)。不過(guò)庫(kù)單元都是比較簡(jiǎn)單的小規(guī)模數(shù)字電路，如邏輯門、74系列器件等，對(duì)中、大規(guī)模和復(fù)雜邏輯時(shí)序電路的設(shè)計(jì)幫助不大。另外也有一些外圍功能模塊和復(fù)雜邏輯的單元庫(kù)提供如通用異步收發(fā)器、有限沖擊響應(yīng)濾波器等，但不是以HDL的形式提供的，只適用于某些特定的PLD器件，移植性比較差。因此，在實(shí)際工作中編制了一個(gè)管理和組合HDL電路單元IP庫(kù)的輔助設(shè)計(jì)軟件--HAD軟件。通過(guò)HAD軟件，對(duì)設(shè)計(jì)好的HDL電路庫(kù)進(jìn)行管理，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求從庫(kù)中選取相應(yīng)的電路單元并將它們組合起來(lái)，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且有利于系統(tǒng)日后的升級(jí)。

2、 HAD輔助設(shè)計(jì)軟件功能

輔助設(shè)計(jì)（HAD）軟件主要是對(duì)HDL語(yǔ)言的電路起一個(gè)輔助設(shè)計(jì)的作用。HAD軟件的功能有兩個(gè)：管理電路單元IP庫(kù)以及生成所需外圍電路的 HDL程序。

電路單元庫(kù)的管理主要有兩個(gè)方面：電路單元接口的管理以及電路單元HDL程序的管理。因此，電路單元庫(kù)是由兩個(gè)庫(kù)組成的，一個(gè)是電路單元的接口庫(kù)，另外一個(gè)是電路單元HDL程序庫(kù)［7］。電路單元接口庫(kù)里的基本單位是各個(gè)電路單元的接口信息，電路單元HDL程序庫(kù)里的基本單位是描述各種電路單元的HDL源程序。類似于標(biāo)準(zhǔn)芯片，如8255芯片，電路單元的接口信息描述了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片的輸入輸出以及它的功能，相當(dāng)于8255的管腳和使用功能說(shuō)明；而電路單元HDL程序描述了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片內(nèi)部的實(shí)際電路以及用何種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的，這相當(dāng)于8255芯片內(nèi)部的電路組成和結(jié)構(gòu)。對(duì)于管理一個(gè)庫(kù)來(lái)說(shuō)，基本的操作主要是新增、刪除和修改庫(kù)單元。

HAD軟件的最終目的就是生成外圍電路的HDL 程序。也就是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求從IP庫(kù)中選取合適的電路單元，再以適當(dāng)?shù)男问浇M合起來(lái)，成為一個(gè)完整的HDL程序。

3、 電路模塊HDL程序生成

HAD軟件中最主要的功能就是電路模塊HDL程序的生成。生成電路模塊的HDL程序的過(guò)程，主要就是對(duì)電路單元IP庫(kù)中的某些單元進(jìn)行若干次例化的過(guò)程。

進(jìn)行例化就必須具備兩個(gè)條件：首先要有模塊輸入輸出端口的列表，其次要知道的是與這些端口相連接的信號(hào)列表。根據(jù)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成例化，然后將例化好的電路模塊組合起來(lái)，成為一個(gè)HDL程序文件，生成電路模塊HDL程序的流程如圖2所示：

通過(guò)上面的分析，首先創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)存放各種模塊HDL程序的源文件，另外一個(gè)存放與各個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)的輸入輸出端口的信號(hào)列表。

存放HDL程序的源文件的數(shù)據(jù)庫(kù)比較簡(jiǎn)單，對(duì)它的操作僅限于對(duì)文件內(nèi)容的復(fù)制，因此這里不作進(jìn)一步的討論。

存放端口信號(hào)列表的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1中，最上面的一行是數(shù)據(jù)庫(kù)的表頭，字段名代表了每一個(gè)字段下面內(nèi)容的具體含義。其中，module為電路單元模塊名；detail為存放模塊端口詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)名；PortN代表了模塊中某個(gè)端口的名字， N是自然數(shù)。

從表1中第二行開始的記錄是不同的模塊。例如，第二行記錄所描述的模塊是帶有一個(gè)異步清零端的D觸發(fā)器，模塊名是DFF，模塊端口的詳細(xì)信息存放在DFF_D的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，總共有4個(gè)端口，分別是CLK、CLR、D和Q。數(shù)據(jù)庫(kù)文件 DFF_D中存放的是每個(gè)端口的方向和寬度。

以DFF模塊為例，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件DFF_D 的內(nèi)容如表2所示：

數(shù)據(jù)庫(kù)文件DFF_D的字段有兩類，前一半的字段都是以“Pn_io”的形式出現(xiàn)，代表了這個(gè)端口的流向，是輸入、輸出還是雙向。后一半的字段都是以“Pn_bit”的形式出現(xiàn)，代表了這個(gè)端口信號(hào)的寬度。

通過(guò)上面兩類數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以完整地掌握一個(gè)模塊的所有接口信息。

在圖1所示的流程圖中，最重要的一步就是 “進(jìn)行例化、組合”。根據(jù)上述幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義和描述，例化和組合的流程如圖3所示。圖中兩個(gè)預(yù)備處理（六邊形框）的工作是“例化組合”前的準(zhǔn)備工作。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，確定所需功能模塊的種類和數(shù)量，然后由設(shè)計(jì)者來(lái)確定所有模塊及其輸入輸出信號(hào)的名字。這些操作都可以通過(guò)鍵盤輸入的方式來(lái)完成，從而將例化和組合過(guò)程中所需的信息傳遞給HAD軟件。

確定好所需的模塊之后，就可以逐一地對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行例化。首先打開端口信號(hào)列表數(shù)據(jù)庫(kù)，從中找到所選定的模塊。接著，打開存放有模塊端口詳細(xì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取端口的類型和數(shù)量，按照指定的連接信號(hào)名對(duì)模塊進(jìn)行例化。最后將例化后的HDL程序組合成一個(gè)文件。

4 、管理電路單元庫(kù)程序的設(shè)計(jì)思路

管理電路單元庫(kù)的軟件所具備的功能是對(duì)電路單元進(jìn)行增加、刪除和修改等操作，流程如圖4所示。

圖4中，管理流程主要由3個(gè)處理分支組成，分別是增加、刪除和修改電路單元分支。

電路單元的增加功能就是將電路模塊的HDL程序加入到電路單元庫(kù)中。庫(kù)中增加了一個(gè)新的電路單元，意味著又多了一個(gè)功能可供我們選擇。隨著庫(kù)中電路單元的日益增多，硬件設(shè)計(jì)中可以用HAD軟件完成的比重就會(huì)越來(lái)越大，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

增加電路單元處理分支的流程如圖5所示。增加一個(gè)電路單元涉及到兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，一個(gè)是端口列表數(shù)據(jù)庫(kù)，另外一個(gè)是端口詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，對(duì)端口列表數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行新增的操作，增加一條空記錄，將新模塊的I/O名稱填入空記錄中的相應(yīng)字段里。然后，新建一個(gè)端口詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)文件。它的字段個(gè)數(shù)是新模塊I/O個(gè)數(shù)的兩倍，一半是用來(lái)指定I/O的方向，另一半是用來(lái)指定端口信號(hào)的寬度。最后，將I/O信號(hào)的方向以及寬度填入新建數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中。處理分支結(jié)束之后再返回到管理流程的入口，重新選擇管理的內(nèi)容。

刪除電路單元處理分支的流程如圖6所示。電路單元的刪除功能就是將不再需要的電路單元從庫(kù)中移掉。用程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，只要將該電路單元在數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄刪除，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)一起刪除即可。

修改電路單元處理分支的流程如圖7所示。該單元的修改功能就是對(duì)庫(kù)中的電路單元的信息進(jìn)行修正。

5、 結(jié)束語(yǔ)

HAD軟件采用了VB設(shè)計(jì)軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)管理控件，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理控件完成數(shù)據(jù)庫(kù)單元的增加、刪除和修改等操作。該軟件具有用戶界面人性化、操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在多個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取得了很好的效果。

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