1 SoPC与IP核

      可编程片上系统(System on Programmable Chip，SoPC)，是Altera公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案。他将处理器、存储器、I／O口、LVDS、CDR等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。他的实质是SoC(System on Chip)技术，与其他SOC技术相比，他的特点在于可编程性。

      SoPC设计的关键技术之一是IP核(Intellectual Property Core)，即知识产权核。IP核是指将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块，如SDRAM控制器、PCI接口都设计成参数可修改的模块，供用户直接调用。IP核有3个来源：EDA厂商提供、第三方提供、用户自定义。一般，EDA厂商及第三方提供的IP核都是功能上比较通用，但在实际SoPC设计过程中，用户常有特殊需求，这就要求用户用自定义逻辑实现所需的功能，因此在SoPC设计中，如何灵活地加入用户自定义逻辑就显得尤为重要。

      2 Avalon总线

      Avalon交换式总线是由Altera开发的一种专用的内部连线技术。Avalon交换式总线由SoPC Builder自动生成，是一种理想的用于系统处理器和外设之间的内联总线，其定义的内联线策略使得任何一个Avalon总线上的主外设都可以与任何一个从外设沟通。

      Avalon接口定义Avalon外设与Avalon交换结构之间的连接。Avalon接口是一个灵活的接口，工程师可以只使用系统所需的几个信号进行数据传输。Avalon接口的一些显著特性如下：

      (1)使用独立的地址、数据、控制线，提供与片上逻辑简单的接口；

      (2)支持最高达128位的数据宽度，支持不是2的偶数幂的数据宽度；

      (3)支持同步操作，所有Avalon外设的接口与Avalon交换结构的时钟同步，不需要复杂的握手／应答机制；

      (4)支持动态地址对齐，可处理具有不同数据宽度的外设之间的数据传输；

      (5)接口协议简单；资源占用少；

      (6)Avalon接口性能很高，可达到每个时钟传输1次。

      Avalon总线为用户提供了非常友好的接口，使系统搭建过程中的一些细节问题得到屏蔽，大大减轻系统搭建的工作量。此外，Avalon总线的“从外设仲裁”机制，消除了带宽瓶颈，实现了无与伦比的系统吞吐量。

      3 用户自定义IP核的开发流程

      用户自定义IP核按照对Avalon总线操作的不同可分为Avalon Master外设、Avalon Slaver外设及AvalonStreaming外设。用户开发的外设大多为Avalon Slaver外设，Avalon Master和Avalon Streaming外设的开发比Avalon Slaver外设要复杂，但开发流程相同。一个典型的Avalon外设的开发步骤如下：

      (1)规划元件的硬件功能。如果采用微控制器来控制该元件，则规划访问该硬件的应用程序接口(API)；

      (2)在硬件和软件要求的基础上，定义一个恰当的Avalon接口(一般为Avalon从端口)；

      (3)使用硬件描述语言描述硬件逻辑。一个典型元件的硬件架构一般3部分组成：接口模块(avalon interface)作为顶层模块，定义总线接口信号；寄存器文件模块(register file)完成该元件与外部信号进行通信，提供访问与控制元件的逻辑界面；行为模块(task logic)实现元件的硬件功能。片上总线AvaIon从端口的信号都不是必须的，一个典型的Avalon从端口所包含的信号如表1所示。

      (4)单独验证元件的硬件功能；

      (5)写用于描述寄存器的C头文件来为软件定义硬件寄存器映像；

      (6)写元件的驱动软件；

      (7)把通过测试的源代码使用元件编辑器封装硬件HDL和软件文件，完成元件定制。

      4 TLC5628自定义IP核的开发

      4.1 TLC5628 D／A转换器

      TLC5628是TI公司生产的8位8通道串行D／A转换器，采用5 V单电源供电，输出电压范围可编程。输出电压编程范围由RNG位控制，当RNG位为1时，输出电压范围为0～2×Vref；当RNG位为0时，输出电压范围为0～Uref。A2A1A0位表示D／A输出通道选择，000～111分别对应第1～8通道，D7～D0是输出数据位。TLC5628D／A转换器时序图见图1。

      4.2 硬件部分构建

      4.2.1 接口模块的设计

      根据TLC5628 D／A的功能描述，该模块所需的Avalon总线输入信号为chipselect，CLK，address，write，write-data及reset信号，是一个典型的只向Avalon总线写数据的模块。而模块输出则为dac_clk，dac_data，dac_load及dac_ldac信号，分别对应TLC5628 D／A的串行输入时钟，串行输入数据，串行载入及更新输出控制，其对应框图(也即TLC5628 D／A与Avalon总线的接口图)如图2所示，该接口模块定义了总线接口信号，作为顶层模块。

      Avalon总线接口设计文件的端口说明部分如下：

      4.2.2 寄存器文件模块

      寄存器文件模块实现该元件与外部信号进行通信，提供了访问与控制元件的逻辑界面。

      在寄存器文件中，Avalon总线的地址信号(address)为2位，address为00表示分频寄存器，用以产生串行D／A的输入时钟，32位分频寄存器数据位只写；address为01表示数据寄存器，32位数据寄存器数据位只可写，address为10和11位保留。

      Avalon总线数据信号在chipselect和write信号的控制下，向寄存器写入分频数和数据位。当向分频寄存器写入数据时，32位数据表示分频数；当向数据寄存器写入32位数据时，保留后12位数据(8位数据位+RNG位+3位通道选择位)。该控制过程由同步有限状态机实现。

      4.2.3 行为模块的实现

      行为模块实现元件的硬件功能，接收来自Avalon总线的数据，在写使能信号的控制下，向TLC5628 D／A输入寄存器写入通道选择及数据位。数据的发送及存储由同步有限状态机实现。在写数据信号使能时，输入数据在串行时钟的控制下依次写入数据寄存器，当12位数据全部写入后，内部标志位dac_dat_send_finish置位，数据发送完成，进入数据锁存状态，此时置位Load信号(LDAC信号一直为低)，DAC更新输出数据。在QuartusⅡ6.0环境下，基于EPlC6Q240C8器件的仿真波形如图3所示。

      4.3 软件设计

      软件设计包括寄存器头文件的设计、驱动软件及测试程序的设计。寄存器头文件avalon_tlc5628_regs.h定义了对TLC5628的寄存器进行写操作的宏。IORD和IOWR是硬件抽象层(HAL)提供的2个访问寄存器的C语言宏。下面2行代码分别是对分频寄存器和数据寄存器的写操作宏。

      驱动软件包括avalon_tlc5628.h和avaIon_tIc5628.c文件。avalon_tlc5628.h定义了驱动函数的原型及常量，avalon_tlc5628.c则实现驱动函数的功能。avalon_tlc5628.c中定义了2个函数，一个是TLC5628初始化函数avalon_tlc5628_init()，完成TLC5628初始化，设置串行时钟、通道选择、电压输出范围编程及数据初始化；另一个是TLC5628输出数据更新函数avalon_tlc5628_update_data()，用以改变输出的通道数和电压值。

      测试程序调用驱动函数对硬件设计和软件设计进行测试。如：avalon_tic5628_init(TLC5628_BASE，250，0x0)，设置TLC5628的串行输入时钟为100 kHz；avalon_tlc5628_update_data(TLC5628_BASE，0x340)，设置TLC5628的第二输出通道DACB输出的电压为2×VREF／4。

      4.4 封装和发布

      在软件和硬件设计完成后，通过SoPC Builder提供的“元件编辑器”进行封装。当HDL文件加入后，指定接口模块为顶层模块，同时指定端口说明中的信号类型。如CLK被指定为“clk”类型，address被指定为“address”类型，dac_lclk，dac_load，dac_data及dac_ldac被指定为“export”类型。之后，SoPC Builder会在当前目录下生成tlc5628_avalon_interface子目录。子目录中包含class.ptf文件、脚本文件及源代码文件。这样，TLC5628 IP核的封装和发布就完成，其他用户也就可以共享TLC5628 IP核。

      5 结语

      在SoPC设计中，设计人员可以灵活方便地加入IP核，减轻工程师开发负担，避免重复劳动。本文通过介绍基于Avalon总线TLC5628自定义IP核的开发详细阐述SoPC设计环境下用户自定义IP核的开发流程，对于开发较复杂IP核有一定的借鉴作用。