可复用SPI模块IP核的设计与验证

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摘要： SoC是超大规模集成电路的发展趋势和新世纪集成电路的主流[1]。其复杂性以及快速完成设计、降低成本等要求，决定了系统级芯片的设计必须采用IP(Intellectual Property)复用的方法。本文介绍以可复用IP设计方法，设计串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)模块IP核的思路，用Verilog语言实现，并经FPGA验证，通过TSMC(台湾集成电路制造公司)的0.25μm工艺生产线流水实现,完成预期功能。
关键词： SoC 可复用IP SPI AMBA总线
引 言

??随着集成电路设计技术和深亚微米制造技术的飞速发展，集成电路的规模越来越大，出现了片上系统SoC(System on Chip，又称之为系统级芯片)。由于其在速度、功耗和成本方面的优势，发展势头迅猛。SoC芯片是一个复杂的系统，为了在规定时间完成设计，并提高设计的可靠性，只有依赖基于IP复用的SoC设计方法。如何为SoC设计提供可复用的IP核，成为SoC设计的基础和难点。

　　 东南大学ASIC系统工程技术研究中心针对AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecutre，先进微控制器)总线规范开发了一款代号为Garfield的嵌入式微处理器。此微处理器除采用ARM公司ARM7TDMI内核的硬IP外，其余模块采用了自己开发的软IP。本文以串行外设接口SPI为例，介绍基于复用的IP设计与验证的一些经验。此SPI模块基于AMBA的APB(Advanced Peripheral Bus，先进外设总线)规范，可以不作修改地应用在任何符合AMBA总线规范的微处理器设计中。

　　 Garfield的总体架构及SPI模块在系统中所处的位置如图1所示。





1 可复用IP核的SoC设计方法

　　 系统级芯片设计中，IP特指经过验证的各种超级宏单元模块电路。VSIA(虚拟器件接口联盟)根据设计层次，将IP划分为三个层次：硬IP、软IP和介于两者之间的固IP。硬IP性能最优但适应性较差，软IP灵活性大、可移植性好。IP核必须具有以下特征[2]：①可读性；②设计的衍展性和工艺适应性；③可测性；④端口定义标准化；⑤版权保护。

　　 代码编写规则和可综合的书写规范是实现IP核的基础，可保证IP软核在任何EDA工具下编译和综合的正确性。为SoC集成时消除综合产生的风险，我们制定了Verilog代码的书写规范，并要求有详细的注释，易于他人理解和修改。可复用IP设计流程如图2所示[3]。





　　 为了容易地将IP集成到芯片中，需要标准化的接口或片上总线，VSIA在这方面作了一定的工作。另外，设计中要尽量将IP核接口部分与功能部分分开，单独作为一模块进行设计，当需要集成到其它互连协议中时，只需修改接口部分。为尽可能地提供灵活性，允许综合时设置多个参数。

　　 在最终面向用户的产品发布中，用户手册是非常重要的部分。这部分文档将被用于IP核的选择、集成和验证，是一种非常专业化的文档。它主要包括模块系统结构、功能框图、输入/输出口、时序图、调用方式、设计流程、测试指导、推荐使用的软件编译器和驱动程序、系统验证指导、调试指导和该IP核版本历史等。在可重用IP核产品发布中，还应包含该IP核的多种仿真模型，以便用户在进行评估、设计和系统测试时使用。IP核的仿真模型一般可分为3个层次：①行为级模型，能够仿真该IP核的全部功能，包括在算法级和指令集上的功能；②硬件级模型，能够精确提供该IP核的功能和时序的仿真；③门级模型，提供硬核的带有时序反标注信息的仿真模型。

　　 在实践中，我们摸索出一套基于CVS(协作版本管理系统)的版本管理和设计、验证人员协同工作的制度流程，对RTL代码作了尽可能全面的仿真，提供完备的测试矢量，保证了最终IP核的质量，并按要求建立了标准、规范的文档。


2 SPI模块IP核的设计

　　 串行外围设备接口SPI(Serial Peripheral Interface)总线技术是Motorola公司推出的多种微处理器、微控制器以及外设间的一种全双工、同步、串行数据接口标准[4]。SPI总线是一种三线总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其它事务。

2.1 SPI模块的接口信号及时序要求

(1)内部总线接口
　　 AMBA规范是由ARM公司制定的片上总线规范，为SoC的设计提供了以下优点：较好的可移植和可复用设计、低功耗设计、高性能和结构可移植的系统设计以及较好的可测性设计[5]。SPI是APB总线上的Slave模块。APB总线时序比较简单，有兴趣的读者可以查阅ARM公司的《AMBA Specification》(Rev 2.0)。因为此SPI模块支持3种DMA操作，所以除标准APB信号线外，还有3根与DMA模块连接的请求信号线。

(2)SPI总线接口及时序
　　 SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。

　　 SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设间时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示[4]。








2.2 SPI模块功能设计

　　 根据功能定义及SPI的工作原理，将整个IP分为8个子模块：APB接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、状态机模块、发送数据逻辑模块、接收数据逻辑模块以及中断形成模块。

　　 深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计规定，如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之间插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态(空闲和工作)就能正常工作。相比其它设计，在基本不降低性能的前提下，思路比较精炼、清晰。

　　 此SPI模块有两种工作方式：查询方式和DMA方式。查询方式通过处理器核监视SPI的状态寄存器来获知其所处的状态，从而决定下一步动作。DMA方式由DMA模块控制数据在内存和SPI间的交换，而不需要处理器核的参与，有效提高了总线利用率。


3 EDA软件仿真与FPGA验证

　　 为了保证设计的鲁棒性，运用多种方法对此IP的功能进行了全面的仿真和验证。

　　 首先进行EDA软件仿真验证。这种仿真包括RTL级和门级仿真验证。RTL级仿真只是将代码文件调入硬件描述语言的仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。门级仿真包括布局布线前和布局布线后仿真。布局布线后仿真，可以获得比较精确的时延参数,能够比较真实地反映芯片制造完成后，模块在实际工作中的行为与性能，所以通过了此类仿真就认为模块设计成功，可以进行流片。将RTL级代码转换成门级网表，使用的是Synopsys公司的综合工具DC(Design Compiler)以及台湾集成电路制造公司(TSMC)的0.25μm标准单元库。

　　 在传统的设计流程中进行功能验证，首先需要通过写测试矢量的方式给需要进行功能测试的模块加激励，然后通过观察模块的输出结果，判断模块的功能是否正确。但是在写测试矢量时，测试工程师是在自己对模块功能理解的基础上进行的。这样就存在一个问题，测试矢量对模块的激励有可能是不完备的，还有可能是错误的。由此有可能模块的功能是错误的，但测试矢量的激励并没有使错误体现出来；也有可能模块的功能是正确的，误报错误使验证过程变得非常低效[5]。为避免以上问题，在模块的功能验证中，采用系统级验证环境。该环境由IP 总线、驱动器、监视器、外部模块和协调它们工作的脚本组成。组成系统的各模块可以按需要加入环境。每次验证过程就是相应的激励作用于环境的过程。验证结果由环境产生、检验和输出。该验证环境在SOLARIS5.8操作系统下，仿真器采用Synopsys公司的VCS，支持C/C++、Verilog和VHDL协同仿真，可以直接将SPI模块挂在验证环境中，通过Verilog的$readmemh任务读入软件激励进行验证。

　　 在系统时钟为66MHz，CPOL=1、CPHA=0下收发6字节数据的仿真结果如图5、6所示。








　　 SPI模块的典型应用是：通过与带SPI接口的触摸屏控制芯片连接，提供对触摸屏的支持。针对此目标，将SPI模块及其它必要模块加载到FPGA中进行硬件、软件联合调试，对实际电路进行验证。我们选用了最常见的四线式电阻式触摸屏，而触摸屏控制芯片采用ADS7843。ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片,支持8和12位的A/D转换精度。为了完成一次电极电压切换和A/D转换，微处理器需要先通过SPI接口往ADS7843发送控制字，转换完成后再通过SPI接口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期[6]。典型的应用电路如图7所示。





　　 SPI的FPGA验证平台包括ARM公司提供的Intergrator/LM-EP20K1000E和Intergrator/CM7TDMI开发验证板以及Garfield II验证电路板(自行设计)。其中Intergrator/CM7TDMI上的ARM7TDMI微处理器内核作为整个开发系统的CPU。通过ARM Multi-ICE，将验证必需的包括SPI在内的所有模块由JTAG口加载到Intergrator/LM-EP20K1000E板上Altera APEX20KE系列的EP20K1000EFC672中。外围电路由Garfield II验证电路板(包含ADS7843)以及触摸屏组成。在FPGA上通过软硬件协同验证，通过逻辑分析仪观测SPI总线信号，也证明此SPI模块性能良好。

　　 另外，通过台湾集成电路制造公司(TSMC)，采用其0.25μm标准单元库对该设计多次进行流水验证，获得的实际IP电路在样机中工作十分稳定。至此，IP的设计十分成功。当设计相似架构的SoC芯片时，可根据需要配置相应参数后直接进行复用。


结 语

　　 建立经过充分验证的功能正确、性能良好的可复用IP模块库，是快速进行SoC设计的基础和要求。设计可复用的IP，需要遵守一定的设计方法：完整、清晰的文档；良好的代码风格；详细的注释；精心设计的校验环境；极高代码覆盖率的测试向量等。本文以SPI模块IP为例，按照规范的流程和要求，进行了初步的尝试，得到了较好的结果。


参考文献
1 魏少军．SoC设计方法学．电子产品世界，2001(5)：36"38
2 陈岚，等. 单片系统(SoC) 设计技术. 计算机研究与发展，2002, l39(1):11
3 沈戈，等. 基于可重用IP的SOC设计方法学的研究. 西安石油学院学报(自然科学版)，2003，l18：72
4 Xilinx Limited. CoolRunner-II Serial Peripheral Interface Master. 2002
5 宋红东．基于嵌入式微处理器的系统级验证方法研究与多媒体加速模块的实现[D]. [硕士学位论文]. 南京：东南大学，2003
6 Burr-Brown Limited. Touch Screen Controller ADS7843
7 David Flynn. AMBA：Enabling Reusable On-Chip Design. IEEE Micro. July/August 1997