1、哈尔滨理工大学学士学位论文 - - I 基于 AMBA 总线的 UART IP 设计与实现 摘 要 当今社会，集成电路产业对整个社会的发展有着很大的影响。集成电路产业也是如今国家重点发展的产业。随着半导体技术的发展，芯片上电路的集成度越来越高，基于 IP 核的 SOC 设计已经成为集成电路设计的主流。其中 IP 软核的灵活性很好，对于复杂的 IC 设计， IP 软核是绝佳的选择。 本文针对可重构媒体 SOC 芯片系统功能的需求，在深入研究了AMBA 总线接口协议和 UART 接口协议基础上，设计了基于 AMBA 总线的 UART 的 IP 设计与实现。 本设计采用 AMBA 总线中的 APB
2、总线作为 片上总线，为了与外围设备进行数据通信，设计了与总线接口的 UART 收发控制器、发送器、接收器以及中断控制器。使用硬件描述语言 Verilog 对设计进行编写，结合有限状态机的方法来实现本设计的要求，并通过了代码的功能验证。 本设计是基于 IC 设计流程进行的，在完成了前端的设计验证的同时，也完成了后端流程中的逻辑综合、布局布线、形式验证和静态时序分析。布局布线后 core 的面积为 73692.9um2。工作频率为 200MHz。 关键词 AMBA； APB； UART； SOC 哈尔滨理工大学学士学位论文 - - II Design and Implementation of U
3、ART IP Based on AMBA Bus Abstract Now, the integrated circuit industry has a great influence on the development of the society. Its very important to develop the integrated circuit industry for the whole country. With the development of semiconductor technology, the integration of circuit on chip is
4、 higher and higher. IP core based SOC design has become mainstream of IC design. And the flexibility of IP soft core is very well. IP soft core is an excellent choice for a complex IC design. In order to meet reconfigurable system functional requirements of the Media-SOC-chip, making the Design and
5、Implementation of UART IP based on AMBA bus, after making a deep study of the AMBA bus interface protocol and UART interface protocol. This design uses APB of AMBA bus as the on-chip bus. In order to perform data communication with peripheral equipment, we designed a UART bus interface controller, a
6、 transmitter, a receiver, and an interrupt controller. Using the hardware description language to implement the design, with the Finite-state machine to satisfy the design requirements. And the functional verification has achieved. The implementation is based on IC-design flow. Not only front-end de
7、sign verification but also accomplished a complete the back-end process which includes logic synthesis, formal verification, placement, routing and static 哈尔滨理工大学学士学位论文 - - III timing analysis. The core area is 73692.9um2. Its working frequency is 200MHz. Keywords AMBA, APB, UART, SOC 哈尔滨理工大学学士学位论文
8、- IV - 目 录 摘要 . I Abstract .II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 国内外研究现状分析 . 2 1.3.1 SOC 技术 . 3 1.3.2 串行通信 . 4 1.4 论文研究的主要内容 . 5 第 2 章 AMBA 总线与 UART接口 . 7 2.1 AMBA 总线 . 7 2.1.1 AHB 总线 . 7 2.1.2 ASB 总线 . 9 2.1.3 APB 总线 . 9 2.2 UART 传输协议 . 11 2.2.1 UART 简介 . 11 2.2.2 UART 通信协议 . 12 2.3 本章小结 .
9、 12 第 3 章 设计方案的实现 . 13 3.1 方案设计 . 13 3.1.1 收发控制器 . 13 3.1.2 发送器 . 14 3.1.3 接收器 . 14 3.1.4 中断控制器 . 14 3.2 模块的设计与实现 . 14 3.2.1 收发控制器 . 14 3.2.2 发送器 . 16 3.2.3 接收器 . 19 3.2.4 中断控制器 . 21 3.3 功能仿真验证 . 22 3.3.1 发送数据波形仿真结果分析 . 22 3.3.2 接收数据波形仿真结果分析 . 23 3.4 本章小结 . 24 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 第 4 章 物理设计 . 25 4.1
10、 逻辑综合 . 25 4.1.1 Design Compiler 工具介绍 . 25 4.1.2 综合过程 . 26 4.1.3 综合结果分析 . 28 4.2 布局布线 . 32 4.2.1 参数设 置以及芯片利用率 . 33 4.2.2 时序报告与验证报告 . 34 4.2.3 版图 . 35 4.3 形式验证 . 38 4.3.1 逻辑综合后形式验证 . 39 4.3.2 布局布线后形式验证 . 40 4.4 静态时序分析 . 41 4.5 本章小结 . 42 结论 . 44 致谢 . 45 参考文献 . 46 附录 A . 48 附录 B . 54 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1
11、- 第 1章 绪论 1.1 课题背景 本文是以国家高技术研究发展计划信息技术领域的重点项目 可重构移动媒体处理核心技术为研究背景。具有一下特征的嵌入式可重构处理器是当下和将来高性能并行移动计算的技术和移动媒体处理的研究发展方向。这些特征包括具有多种媒体方式处理、扩展性大、性能高，而且自身还具有低功耗特征。这类嵌入式可重构处理器的体系结构应当既具备通用构造的灵活性，同时要具有定制构造的高效性，其在高密度信号处理的SOC（ System-on-Chip）应用领域具有十分广阔的发展前景。可重构媒体SOC 是支持 32 位性能较高的具有高清解码功能的一款 SOC 芯片。其预期目标希望能够实现对一系列的
12、可重构处理核心技术的掌握，这些技术包括可重构机理、新型系统架构和集成开发环境等。这些 技术的研究都是为了国家开发重大项目能够有足够的技术储备，能够为我国在新一代并行移动计算技术产业和移动媒体产业的发展提供强有力的技术支持。可重构媒体SOC 芯片的体系结构图如图 1-1 所示。 图 1-1 可重构媒体 SOC 芯片的体系结构图 从上图可以看出，可重构媒体芯片（ SOC 芯片）主要包括这几个部分： ARM（ Advanced RISC Machines）内核、片外存储系统、 AHB调试接口 功耗控制 AHB 总线控制器 最小系统REmus 锁相环 PLL 复位控制 AHB 总线 ARM1 136
13、AHB 接口 AHB 主机口 LCD 控制器 APB 从机口 外部存储器接口 EMI 控制器 TS流接口控制器 AHB DMA控制器 AHB-APB控制器 SD 卡接口控制器 APB 总线 PS2 I2C IR UART GPIO 音频输出接口 定时器 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - （ Advanced High Performance Bus）主机部件、 AHB（ Advanced Peripheral Bus）从机部件和 APB 从机部件。这个芯片能够实现的功能很多，并且能够提供很多的外围设备接口类型，也正是由于它具有大量的外围设备资源，因此对于媒体处理、有线通信和多通道无线通信
14、的应用的需要，这款芯片可以更好的满足。 本设计研究的通用异步收发传输器 UART 就是可重构媒体 SOC 芯片的众多外围设备中的一种，它可以用作集成于微处理器中的周边设备和独立 的 模 块 化 芯 片 。 其 英 文 全 称 为 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter。 UART 设备与 CPU、 DMA 的进行的数据通信是在其芯片内部通过 AMBA（ Advance Microcontroller Bus Architecture）总线来实现的，与外部连接的接口标准一般与 RS-232C 规格相同，通常情况下是选择的搭配对象是按照其标准信号幅度
15、变换的芯片。 UART 主要的应用领域是 PC 机的操作系统的升级，对于传输速率要求不高的数据， UART 就可以满足设计的要求。 1.2 研究意义 在可重构媒体 SOC 芯片中， UART（通用异步收发传输器）是 PC 机与 CPU 核之间连接的纽带，在芯片操作系统的升级中扮演着不可替代的角色 。而 UART 还有更值得与研究设计的一点，对于串行数据传输速率要求的不太高的设备，使用 UART 进行通信是性价比更高的绝佳选择。接口简单、占用资源空间小、标准化、易于控制、易于实现软硬件模块化等都是串行总线设备所具有的优点。正是由于其的这些优势，使得 UART 在诸多领域都被广泛的使用，例如语音、
16、图形图像、仪器仪表等。因此，研究设计一个高性能的 UART 设备，使其能够满足可重构媒体（ SOC）芯片对规模大、来源广泛、实时性要求更高的数据传输，在整个可重构媒体芯片的设计中，甚至是国家高技术研究发展计划信息技术领域的重点项 目，也就是作为本设计研究依据的嵌入式可重构移动媒体处理核心技术都有着十分重要的意义。 1.3 国内外研究现状分析 集成电路 （ Integrated Circuit） 的发展到现在为止已经有了几十年的历史，它一直都在按着摩尔提出的规律增长。 提出的规律是 集成电路中晶体管的数目增加一倍 的周期为 18 个月 1。 更新一代的时间周期大概是两到三年。造成这种现象的原因是
17、 器 栅长在不断的 减 小， 减 小 的规律 基本上 是 按照等比例 减 小的 规则 ，并且在一定程度上有利于 提高 其它 的一些 工艺参数。按照这一规律，集成电路的基本单元 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）器件 已经 进入 到了 超深亚微米 甚至是 纳米加工时哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 代 。纳米加工是指 器件的栅长小于 50nm。 为了满足 信息市场的需求 、 微电子 产业 的发展 需求 ， 必须把 集成电路 的 特征尺寸 尽可能的不断的缩小，发展 多种工艺集成技术 ，并且这些技术都应该具有的特点是 微细加工 。生产
18、面向应用的系统级芯片。 在上个 世纪 末 ， SOC 技术 开始兴起，并且一直都在随着 半导体工艺技术的发展 而发展 ， IC 设计者 们在 单 个 硅片上 开始集成更加 复杂的功能， SOC 正是在集成电路 （ Integrated Circuit） 向集 成系统（ Integrated System） 转变的大方向下产生 并不断发展的 2。所谓的 SOC（ System-on-a-Chip）即为 系统级芯片， 通常也被叫做 片上系统 。 它 既是 一个产品， 也 是一个集成电路 。它 包含 着 完整 的 系统 ， 并 且 有嵌入软件的全部内容 。 它又是一 门 用 来完成 从确定系统功能
19、开始一直 到软硬件划分 且 完成 全部 设计的 完整的 过程 的技术 。 1.3.1 SOC 技术 SOC 技术 具有两个与其他技术相比的巨大优势： 集成 度高和 固件化 。SOC 技术设计系统的核心思想是 将 整个电子系统 都 集成在 同 一个芯片 上 。如果 使用 SOC 技术 来 设计 所需的 应用系 统，所有的系统电路 必须 全部 都集成在一 个芯片，但是这之中不包括那些不能够 集成的机械部分 和外部电路 3。 SOC 是一个微型系统， 用一个比较恰当的比喻来说，可以将 中央处理器 CPU 比作人的 大脑， SOC（片上系统） 就是包括 人的 大脑、 肺、 心脏、 手 和 脚 的系统。
20、国内外学术界 都习惯于把 SOC 定义 成为一个同时集成了 微处理器、 数字 IP 核、 模拟 IP 核和片外存储控制接口 的 芯片 系统。一般情况下它 是客户定制的， 是 面向 某些专用 用途的一种标准 化 产品。具体 来 说，软硬件协同设计技术、 IP 核可复用技术、总线架构技术 、 SOC 验证技术、低功耗设计术 、可测性设计技术 和 超深亚微米电路实现技术 都是SOC 设计的 核心 技术 4。另 外， SOC 技术还包括 嵌入式软件 移植等。 SOC可以 大量的使用已经存在的 设计， 从而明显 地提高了 整个 ASIC（专用集成电路）领域 的设计能力 ，这也是其 发展迅速 的最主要原因
21、 ， 并且 引起了工业界 、 学术界 两大领域的 强烈 的关注。 随着 社会的进步， 微 电子技术 和 SOC 芯片处理技术 也在 不断 地 发展， 如今已经可以合并 成一个 “ 单片系统 ” ， 从而 进一步 的 提高 芯片上电路的 集成度，降低 生产 成本。这个 SOC 芯片 是一个 具有多 个 处理器核心的单片集成系统 ， 并且在其中包含有 CPU 主处理器，集成的核心 的类型有：专用集成电路 类的硬核 、 DSP 软核、 协处理器类的软核 以及某些 专用处理 的 子系统 。更值得大家注意的是它 集成有丰富的 外围设备 。 SOC 技术已经 是集成电路发展的必然趋势， SOC 技术 具有
22、很多其他技术不具备的 特点 ，具体的包括 半导体工艺技术的系统集成 、 软件系统和硬件系统的集成。 SOC 技术也 有 着它的巨大 优势， 它 能创造其产品 不可估量的 价值 ，同哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 时能满足如今社会最求的耗电量低、体积小、系统功能强大、 速度 快， 成本 低廉的 市场需求 。当下 ，很多半导体方案提供商都在 慢慢的开始使用SOC 技术， 提高集成度 、使用 先进工艺 、 降低成本 、提高 系统性能 都成为决定半导体方案提供厂商 市场 竞争力 的决定因素 。每 一次更新出的 SOC技术据能够 更 高 效地 利用 资源， 实现资源优化和共享。并且每个 子系统的
23、协同工作能力 也能不断的提高 ， 致力于在提高产品可靠性的同时，不断的减小产品的 成本 和 功耗。 事实上 ，集成系统级芯片主要 含有 软、硬件的协同设计技术、 IP 模块库技术 和 模块界面间的综合分析技术 。这 三个 技术是核心 的支持技术。 若想要 系统级芯片 作 为 主要 特 征 的信息技术 持续不断的更新就必须将这三个支持技术进行不断的更新 。 在 21 世纪， SOC 技术 正在不断的普及 ， 这也真正是 SOC 技术 飞速 发展的 时代 。主控 CPU 不断的更替 、视频协处理器能力 的不断 增强、 DSP 资源 的充分利用以及 且 可以同时 支持定点和浮点运算 ，这些在证明 S
24、OC 芯片的发展趋势 越来越强。未来的发展不可估量，还有更多的 像是 UART、 DVI、 SATA、 PCI-E 等等高性能 外围设备 接口 将会被 集成到 同一个芯片中来，构成更加完美的“单片系统”芯片。 1.3.2 串行通信 如今，被人们所熟知的 串行通信技术标准是 由美国电子工业协会提出的 RS-232、 RS-422 以及 RS-485，也就是 EIA-232、 EIA-422 以及 EIA-4855。在工业通信领域习惯将 称之为 RS-232、 RS-422 以及 RS-485，它们是 串行数据接口标准 。美国电子工业协会 在 1962 年发布 的 RS-232， 在之后不断的又推
25、出了一些其他的 版本 。在其发布的这些标准中， RS-232-C 是如今最受欢迎、最常用的版本 。 如今，在 通信工业中 ，与 PC 机通信使 用 频率最高的 串行接口 仍然是RS-232。 RS-232 是 一种在串行通信中 对数据传输速率要求不高，但对数据通信距离 要求相对较高 的单端标准。不平衡 的单端通信方法是 RS-232 采取 的数据传输方式，它的 传送距离可 以达到 15 米 左右 ，最高 的数据传输速率 可以达到 20kbps6。 RS-232 对于 传输距离 不高的还 可以满足 ， 但是距离相对再远一些的就不适用了，因此 EIA 有更新发布了 RS-422 接口标准 。平衡通
26、信 方法是 RS-422 采用的数据传输方式，它制订了双端通信 接口 标准。 RS-422 的数据 传输速率 可以达到 10Mbps，传输距离 也可以增加到大 约 1219 米， 与 RS-232 相比，大大的提高了数据传输速率和传输距离。其 在一条平衡总线上 最多可以 连接 的 接收器 可以达到 10 个左右 7。RS-422 也存在着一些缺点，它的 传输速率 越大， 平衡双绞线的长度 就越小 ， 它们两个是成反比的。只有 在 数据传输速率小于 100kbps 时 ，传输距离 的 最大值 才有可能达到。换句话说 ， 距离和数据传输速率想要都达到最佳的效果还是个未完全实现的目标，虽然 RS-4
27、22 相对 RS-232 来说，性能哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 方面提高了很多，但是其也 只有在短距离 传输时，传输速率才可以达到最快 。一般传输速率 达到最大的 1Mbps 时， 双绞线 的长度大约在 100 米左右 。 除此之外需要 指 明的一点是 ，在 RS-422 通信中 可以有 主设备（ Master） 个数一个，而 从设备（ Salve） 多个。虽然从设备可以是多个，但是他们 之间 是 不能进行 数据 通信 的 ， 因此 RS-422 支持的是 一对多 的双向通信。为扩展应用范围， 在 1983 年 美国电子工 业协会有发布了 RS-485标准， 在 RS-422 的基
28、础上 允许同一条总线上 同时连接 多个发送器， 实现了 多点双向 的 通信能力 8。在 发送器的驱动能力和冲突保护特性 这两个方面有了明显的提高 ， 同时增加了 总线共模范围 。现在也叫 RS-485-A 标准。 通过改进了一些性能而 发展来的 RS-485， 在很 多电气 规范方面 与 RS-422 的规范都相差不大 ， 他们 都采用 数据 传输方式 都为平衡传输，需要 在传输线上接电阻 9。 传输 的 距离 最高可以达到 1220 米 左右，数据 传输 的最高 速率 可以达到 10Mbps 左右 。但是， RS-485 与 RS-422 不同的 地方是其可以采用二线与四线方式 。如果想要真
29、正的做到可以 多点双向通信， 需要采用二线 连接方式。 采用四线连接时， 虽然同样 只能实现 一 对多 的 通信，但 是 RS-485 采用的二 线 连接方式和四 线连接方式 在 总线上 都可以接 32 个设备。 1.4 论文研究的主要内容 本设计完成了基于 AMBA 总线的 UART 的 IP 设计与实现。研究的主要方面如下： SOC 技术和 AMBA 总线协议、 UART 通信协议。通过对系统功能的分析，研究了 APB 总线与 UART 设备之间通信的过程。分别设计了 APB_UART 收发控制器，接收器和发送器。 APB_UART 收发控制器根据 APB 总线发出来的信号，如时钟信号、使
30、能信号、选择信号、地址信号等进行工作。 APB 总线通过输送给 UART 不同的地址信号来控制其不同的工作方式。 本设计根据 IC 设计流程完成了前端设计和后端设计。前端设计通过使用 QuartusII 软件和 Modelsim 软件实现了 RTL 级代码的编写及验证，完成了 APB 总线和 UART 接口功能、结构以及其串行通信的数据传输协议的设计。后端流程中完成了逻辑综合、布局布线、形式验证以及时序分析，分别用到的工具是 Design Compiler、 SOC-Encounter、 Formality 和PrimeTime。 论文的具体安排如下： 第二章主要介绍了 AMBA 总线协议，并对 UART 接口的通信协议进行了详细的描述。 第三章主要讲述了本课题的设计方案和 IC 设计流程中到前端流程部
