1、簡(jiǎn)介

　　IPOntellectualPIDperty）是隨著EDA（ElectroniDesignAn－tomation）技術(shù)發(fā)展而提出的新概念。隨著微電子工業(yè)的飛速革命，集成電路的設(shè)計(jì)規(guī)模越來(lái)越大，以滿足日漸復(fù)雜的電子系統(tǒng)的需要，同時(shí)又由于上市時(shí)間廠linetoMarket）的要求，必須花費(fèi)盡可能少的時(shí)間來(lái)證明部件和系統(tǒng)的可靠性。所以，從共享的角度來(lái)看待問(wèn)題，對(duì)已經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能模塊的重用無(wú)疑是解決這個(gè)瓶頸的最佳方案。

　　當(dāng)前的設(shè)計(jì)思想是類似軟件的面向?qū)ο蟮母拍?，采用虛擬插座VS（VirtuaS0ckets）的概念，把多個(gè)不同來(lái)源的電路模塊組合起來(lái)達(dá)到要求的功能，并將其集成在一塊硅片上。IP就是實(shí)現(xiàn)這種功能模塊的混合、嗎配和重用以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SystemonACh響設(shè)計(jì)的最好方法。這將使系統(tǒng)級(jí)IC集成設(shè)計(jì)成為切實(shí)可行的技術(shù)方向。

　　IP就其本質(zhì)來(lái)講即是一個(gè)能提供正確接口信號(hào)的功能模塊。MentorGraPhics所下的定義是可重用的部件（ReusableComPOnentS）。具體在ASIC／IC設(shè)計(jì)中，通常指的是一個(gè)軟核，是一個(gè)通過(guò)具體電路驗(yàn)證（Silicon－Verified）的功能模塊，它以可綜合的寄存器傳輸級(jí)RWRegisterTranslationbevel）文件給出，通過(guò)庫(kù)文件調(diào)用可實(shí)現(xiàn)它的重用。

　　2、可編程DMA控制器

　　DMA直接存儲(chǔ)器存取臟制器是用于微處理器系統(tǒng)的外圍接口電路芯片。它能夠增強(qiáng)系統(tǒng)外部設(shè)備同主存儲(chǔ)器之間信息傳送的性能，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量。

　　8237A是Intel公司推出的8位DMA控制器，提供了大量的可編程控制特性，同時(shí)可以允許程序動(dòng)態(tài)編程控制而優(yōu)化系統(tǒng)。它主要配合微控制器，完成外圍設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的大量高速數(shù)據(jù)傳輸工作，并且它也提供存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳送功能。當(dāng)前存在著大量采用8237A作為外圍接口電路芯片的微控制電路，所以8237A的IP設(shè)計(jì)對(duì)于這些系統(tǒng)片上集成具有重要意義。

　　8237A的IP包含以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）包含了四個(gè)通道，每個(gè)通道可以有四種工作模式，可以單字節(jié)傳送、塊傳送房求傳送、級(jí)連工作。每個(gè)通道可以通過(guò)級(jí)連模式連接附加的控制器芯片而擴(kuò)展成為任意通道數(shù)，其它的三個(gè)模式可以由用戶編程為外圍器件提供DMA傳送服務(wù)。

　?。?）通道編程設(shè)置為自動(dòng)初始化，每當(dāng)傳送結(jié)束或者EOP信號(hào)有效時(shí)，通道可以自動(dòng)初始化。由于每個(gè)通道的地址和字寄存器都是16位，所以具有64K地址以及字計(jì)數(shù)能力。

　?。?）提供通道優(yōu)先權(quán)控制，進(jìn)行固定和循環(huán)優(yōu)先權(quán)調(diào)度。8237A最突出的特點(diǎn)是具有對(duì)多種傳輸方式的控制。

　　3、電路功能模塊設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為全同步電路。根據(jù)Intel提供的器件時(shí)序，設(shè)計(jì)在系統(tǒng)時(shí)鐘CLK的下降沿將狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，給出相應(yīng)控制信號(hào)；而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道在系統(tǒng)時(shí)鐘CLK的上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)間所進(jìn)行的邏輯分析，所設(shè)計(jì)的IP電路劃分為如下模塊：接口模塊、通道請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)及屏蔽控制模塊。中央控制模塊、通道地址和計(jì)數(shù)器控制模塊、命令寄存器模塊、狀態(tài)寄存器模塊。如圖1。

　　3.1接口模塊

　　接口電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)與CPU和存儲(chǔ)器以及外部設(shè)備的連接。接收CPU寫(xiě)入的命令字、地址、字節(jié)數(shù)、模式控制率等；向CPU提供狀態(tài)字以及各個(gè)寄存器的內(nèi)容。對(duì)于存儲(chǔ)器和外設(shè)的接口一般都是提供傳輸數(shù)據(jù)的當(dāng)前地址，在存儲(chǔ)器至存儲(chǔ)器傳輸工作模式下，還要使用臨時(shí)寄存器Temp對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行暫存。

　　3.2通道請(qǐng)來(lái)優(yōu)先級(jí)及屏蔽控制模塊

　　這個(gè)模塊利用邊沿檢測(cè)器和或邏輯實(shí)現(xiàn)了對(duì)DREQ（DMARequest晴求的沿觸發(fā)以及電平觸發(fā)的檢測(cè)。同時(shí)通過(guò)優(yōu)先級(jí)設(shè)置和屏蔽寄存器的設(shè)置判定對(duì)應(yīng)請(qǐng)求是否有效，之后將有效的請(qǐng)求送給中央控制模塊，由中央控制模塊對(duì)相應(yīng)的通道進(jìn)行處理，并且發(fā)送DACK（DMAcknowle吃小向應(yīng)信號(hào)通知外設(shè)撤消DREQ請(qǐng)求。優(yōu)先級(jí)可以用命令方式設(shè)置為固定優(yōu)先級(jí)和循環(huán)優(yōu)先級(jí)。

　　3.3中央控制模塊

　　這是整個(gè)IP設(shè)計(jì)的核心部分，該模塊作為DMA控制器的主要工作模塊，相應(yīng)地執(zhí)行各種控制命令，負(fù)責(zé)在空閑（id由周期響應(yīng)CPU操作；在執(zhí)行（ActiVe調(diào)期，協(xié)調(diào)DMA內(nèi)部的其它模塊，接管總線控制，提供數(shù)據(jù)傳輸所需要的所有地址、數(shù)據(jù)暫存控制，并向外提供讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)。

　　8237A的工作過(guò)程可以分為7個(gè)狀態(tài)，即SI，SO，S1，S2，S3，S4和Sw。它的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。該模塊的主要構(gòu)成部分就是系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)，而其中的引，SZ，S4狀態(tài)對(duì)于數(shù)據(jù)通道進(jìn)行主要操作，8237A是一個(gè)同步電路，所以中央控制模塊就設(shè)計(jì)成一個(gè)同步狀態(tài)機(jī)，每個(gè)狀態(tài)都是一個(gè)時(shí)鐘周期的寬度。

　　3．4 ?Inc／Dec單元

　　因?yàn)樵赟1，S2，S4這三個(gè)狀態(tài)，也就是三個(gè)周期中，8237A必須執(zhí)行加載，地址改變，恢復(fù)這三個(gè)操作，而在部分情況下地址必須要求在S4改變，所以就不能保證一個(gè)周期一個(gè)操作。這樣就必須以每個(gè)通道的當(dāng)前寄存器作為Inc／Dec的源和目的操作數(shù)。

　　如果每個(gè)通道的地址和計(jì)數(shù)采用同步計(jì)數(shù)器，該同步計(jì)數(shù)器由每個(gè)通道的當(dāng)前寄存器實(shí)現(xiàn)，這樣的話，四個(gè)通道的地址和字?jǐn)?shù)計(jì)算就至少需要四個(gè)同步計(jì)數(shù)器；那么這個(gè)設(shè)計(jì)與直接采用組合邏輯Inc／Dec單元的設(shè)計(jì)相比，就少了一個(gè)4路16位的多路選通器。如果按照ASIC庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)，該多路選通器將占用16X4個(gè)CMOS門(mén)，同時(shí)由于同步計(jì)數(shù)器的進(jìn)位判斷邏輯并本比直接的組合邏輯Inc單元少，所以在假設(shè)門(mén)的傳輸延遲滿足工作頻率的情況下，它們都可以采用每級(jí)一個(gè)與門(mén)的邏輯，應(yīng)該為14個(gè)二輸入與門(mén)與匕個(gè)二輸入異或門(mén)，每個(gè)與門(mén)占用兩個(gè)CMOS門(mén)，每個(gè)異或門(mén)占用四個(gè)CMOS門(mén)。這樣采用同步計(jì)數(shù)器將占用Zx4xl4＋4x4xls＝352個(gè)CMOS門(mén)；采用組合邏輯Inc單元將占用16X4＋Zxl4＋4X15＝152個(gè)CMOS門(mén)。即使在只有加1邏輯的情況下，同步計(jì)數(shù)器的進(jìn)位判斷邏輯比直接的組合邏輯Inc單元多。如果再加上減1邏輯，同步計(jì)數(shù)器占用的CMOS門(mén)將會(huì)以接近4倍的關(guān)系和直接的組合邏輯Inc／Dec單元一起增長(zhǎng)，所以應(yīng)該采用組合邏輯Inc／Dec單元。

　　當(dāng)然以上的設(shè)計(jì)都是在采用ASIC標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的情況下，由于采用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，沒(méi)有可以直接利用的MUX單元，4路16位的多路選通器就會(huì)占用較多的邏輯資源，同時(shí)影響系統(tǒng)頻率的提高，而且FPGA中提供專用的進(jìn)位鏈邏輯來(lái)優(yōu)化計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)，所以應(yīng)該采用四個(gè)同步計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。所以在IP的設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工藝的不同，以及對(duì)于系統(tǒng)整體性能的需求不同，提供了可以參數(shù)化選擇的實(shí)現(xiàn)方法。

　　3．5先后觸發(fā)器

　　在8237ADMA控制器中，先后觸發(fā)器的作用就是在系統(tǒng)讀寫(xiě)DMA中的16位寄存器時(shí)，提供高低8位寄存器部分的先后次序控制。

　　設(shè)計(jì)中，對(duì)于高低8位寄存器部分的讀寫(xiě)要根據(jù)先后觸發(fā)器的值進(jìn)行判斷操作。由于整個(gè)系統(tǒng)是同步設(shè)計(jì)，就不能采用利用讀寫(xiě)信號(hào)的上升沿直接將先后觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的方法。所以，設(shè)計(jì)中對(duì)讀寫(xiě)信號(hào)進(jìn)行邊沿檢測(cè)，利用檢測(cè)得到的讀寫(xiě)結(jié)束信號(hào)，在時(shí)鐘的上升沿將觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。而且，由于并不是所有的對(duì)內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)都需要翻轉(zhuǎn)先后觸發(fā)器，所以還要對(duì)地址的進(jìn)行判斷，但是如果在讀寫(xiě)信號(hào)結(jié)束時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)的地址可能已經(jīng)改變。所以設(shè)計(jì)中在讀寫(xiě)信號(hào)的開(kāi)始時(shí)就進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果保存，以供在讀寫(xiě)信號(hào)結(jié)束時(shí)判斷是否翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器。

　　所以系統(tǒng)中先后觸發(fā)器有四個(gè)邊治檢測(cè)器，兩個(gè)用來(lái)檢測(cè)端口讀寫(xiě)信號(hào)的開(kāi)始，兩個(gè)用來(lái)檢測(cè)端口讀寫(xiě)信號(hào)的結(jié)束。

　　3．6連續(xù)傳輸時(shí)SI狀態(tài)加載高8位地址控制

　　在DMA連續(xù)傳輸時(shí)，當(dāng)?shù)刂返牡?位從ox00向oxFF變化時(shí)，或從oxFT向ox00變化時(shí)，需要進(jìn)入引狀態(tài)加載已經(jīng)變化了的高8位地址。因?yàn)榈刂芳?減1邏輯不是用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，所以無(wú)法采用低8位的進(jìn)位借位信號(hào)進(jìn)行判斷。設(shè)計(jì)中采用將高8位的最低位值與運(yùn)算后得到的值進(jìn)行異或（XOR），該值的作用就如同進(jìn)位借位標(biāo)志。

　　4、實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

　　對(duì)于可編程DMA控制器IP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是采用TOp－down設(shè)計(jì)方法，首先建立了一個(gè)可供仿真的頂層模型，在仿真環(huán)境中確定了各種控制信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，之后才使用具體的功能電路逐步細(xì)化整個(gè)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法，可以在設(shè)計(jì)的初期就能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤和瓶頸，以避免反復(fù)設(shè)計(jì)。由于可編程DMA控制器IP是同步電路，所以在設(shè)計(jì)中盡量采用各種同步信號(hào)，并且采用一些措施來(lái)減少組合路徑的延遲，提高系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率，同時(shí)消除毛刺，使電路性能更加穩(wěn)定。

　　在設(shè)計(jì)中，作者采用VHDL（VHSIHaldDtSCriptionban－gUage）語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。利用SynoPsys的Design－Analyzer進(jìn)行編譯和綜合。采用iii，nx驗(yàn)證IP正確性，采用Altera的MAX－Plus11進(jìn)行布局布線，選擇ALrFERA的Fled0K30器件，進(jìn)行了片上驗(yàn)證。與ALTERA公司提供的8237AIP進(jìn)行比較，資源占用基本一致，時(shí)序分析時(shí)性能較好。

　　在進(jìn)行ASIC門(mén)級(jí)后仿真（P0st－simulation）時(shí)，采用的是標(biāo)準(zhǔn)的vrrsLtiny，采用cnosl藝，線寬為o．5微米，具有Sin－of性質(zhì)。提取了布局布線后的各種延遲信息后，在Sn－0PSyS的VSS中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了IP的正確性。

　　5、結(jié)論

　　可編程DMA控制器IP設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IP設(shè)計(jì)的目標(biāo)，即設(shè)計(jì)的重用，實(shí)現(xiàn)了一些相應(yīng)單元模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)。只需要進(jìn)行很少量的參數(shù)修改工作，就可以重構(gòu)一個(gè)適用于不同需求的DMA控制器，例如可以將四個(gè)通道進(jìn)行裁減。而且可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)工藝（ASIC或FPGA）的不同，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，選擇合適的設(shè)計(jì)。

　　國(guó)內(nèi)對(duì)于IP的設(shè)計(jì)研究還是剛剛開(kāi)始，通過(guò)可編程DMA控制器IP設(shè)計(jì)可以獲得經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)中作者基本按照TOP－down的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)整個(gè)電路的各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了Intel手冊(cè)上提供的參數(shù)，電路工作正常，這說(shuō)明高層設(shè)計(jì)方法在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工作中是有效的，這個(gè)設(shè)計(jì)也作為這方面的一個(gè)探索。