移动计算SoC IP组件设计

1 引言

　　移动操作或移动计算（mobile computing）原是通讯领域的研究方向，随着数字无线通信技术和嵌入式计算技术的发展、应用与融合，移动操作已逐步成为嵌入式系统中很具发展潜力的一个领域［1］。SoC（System on a Chip）是嵌入式系统的研究和开发热点［2］，其运用现代计算机和微电子学的高技术，实现单片系统集成，减小了体积、提高了运行效率、增强了可靠性、降低了功耗、减少了成本，被称作嵌入式系统应用的理想结构。移动操作和SoC二者的结合开拓出了嵌入式系统研究与应用的新天地。为了解释移动操作SoC的应用，这里举一个例子，如图1所示。

图1 一种移动操作SoC的工作示意图

　　在图1中，移动操作SoC被设置在汽车上，它通过GSM通信网络和控制中心、住家建立通信联系。车主能够通过汽车上的移动操作SoC控制住家的各种家用电器设备，如在回家的路上可以启动电饭煲和微波炉；也可以向控制中心发出咨询和数据提取信息。同时，车主可以通过移动操作SoC对住家内设置的保安系统、防火系统进行检查，及时发现问题，并向控制中心求助。另一方面，住家的安全问题信息也可以通过GSM传递给控制中心和车主，以便及时采取措施。

　　当车主在住家时，汽车上的移动操作SoC和车上的防盗系统连接，在发生汽车被盗事件时，及时向车主和控制中心报警。

　　由此可见，在移动通信日益发达的今天，移动操作SoC必将成为嵌入式系统应用研究新的热点之一，有着广阔的发展空间。

　　2 移动操作SoC的结构

　　作为SoC在移动通信控制的分支，移动操作SoC和一般的SoC在设计上是相似的。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（Intellectual Property）组件的设计。由于可编程器件PLD具有简单易学、修改方便的特点，常常被用来作为设计IP组件的硬件支撑。

　　移动操作SoC的基本结构见图2。在移动操作SoC中，核心是嵌入式微处理器MPU。实际上，多数的MPU和是由MPU或PLD设计与开发公司提供的，如MCS51系列的NIOS和32位的ARM系列MPU核，分别由Altera和Arm公司提供给用户［3］。

图2 移动操作SoC的基本结构

　　从用户的角度来看，进行SoC设计的主要工作是IP组件的设计，以及系统的连接。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PLD的设计方法。也就是软硬结合的IP固核设计。

　　从图2可以看出，移动操作SoC的IP设计主要包括两个部分：GSM接口IP组件和外部接口IP组件。其中GSM接口IP组件建立移动操作SoC和GSM网络的通信联系和相应的数据变换；外部接口IP组件则负责SoC与外部设备间的数据联系，并对某些外部设备器驱动控制作用。

　　相对来说，外部接口IP组件包含的内容更丰富。因为，这类IP组件对应的外部设备范围较广，而GSM接口IP组件只对应GSM网络。对一个嵌入了移动操作SoC的电子产品而言，常用的外部设备包括键盘、显示、外部存储器和鸣响器件等。无论是键盘、显示、外部存储器，还是鸣响器件，其相应的IP组件都具有一定驱动控制功能。

　　基于PLD设计SoC的IP组件是较常用的方法。目前，应用较多PLD器件是FPGA和CPLD，本文中介绍的IP组件设计是在基于VHDL编程的FPGA上完成的［4］。

　　3 移动操作SoC的IP组件设计

　　外部接口IP组件是移动操作SoC应用中常用且范围较广的IP组件。外部数据存储器是SoC的一种常用外部设备。为了实现SoC对外部数据存储器的高效管理，要设计一个外部数据存储器IP组件。这个组件被命名为ram_fct。外部数据存储器IP组件结构可参考图3。

　　对照图2，图3中的ram_fct是外部数据存储器的IP组件，处于外部数据存储器和嵌入式MPU之间，通过数据（datain）、地址线（addrin）、控制（reset, write_e）和信号线（clk）等与MPU建立联系。

图3 外部RAM IP组件的结构