可复用SPI模块IP核的设计与验证

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。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号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：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版板保护。 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。 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楼。它主要包括模块系统结构、功能框图、输入、输入/输出口、时序图、调用方式、设计流程、测试指导、推荐使用和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核的仿真器模型一般可分为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，我们搜索出一套基于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定流程，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。SPI总线量种三线总线，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、讥生能和结构可移植的系统设计以及较好的可测性设计。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 Specificetion》(Rev 2.0)。因此此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。 图3和图4 （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音时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示。 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式模块。 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）就能正确工作。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考，有效提高了总线利用率。 3 EMA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应认为模块设计成功，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，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，误报错误使难证过程变得非常低效。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。 图6 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、低导通过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。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 APEX20K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。 图7 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。