摘要

?????SoC是在單個(gè)芯片上集成數(shù)字、模擬電路、CPU、DSP等各種模塊，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的功能，集成度高、可靠性好、成本低。本設(shè)計(jì)為一個(gè)基于OR1200的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各模塊之間采用wishbone總線連接，所使用的主要模塊有GPIO、on chip memory、PLL、定時(shí)器模塊（PTC）、串口（uart16550）、外部中斷模塊。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能為通過(guò)按鍵控制LED燈，通過(guò)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)PWM波，來(lái)調(diào)節(jié)LED燈的亮度。

設(shè)計(jì)工程源碼聯(lián)系 企鵝號(hào)?3270516346

一、系統(tǒng)總體功能概述

1、系統(tǒng)硬件模塊

???①?OR1200處理器

???②?wishbone總線

???③?定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊（PTC）

???④?串口模塊（UART）

???⑤?鎖相環(huán)模塊（PLL）

???⑥?GPIO接口模塊

???⑦?片上存儲(chǔ)器模塊（on chip memory）

2、各模塊連接

3、系統(tǒng)總體功能

?????將GPIO配置為雙向端口，將GPIO的低8位定義為輸出，并連接到LED燈上，高八位定義為輸入并連接到按鍵上，通過(guò)按鍵控制LED的亮滅。啟用外部中斷，當(dāng)輸入為上升沿時(shí)觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中，通過(guò)串口向終端發(fā)送數(shù)據(jù)。啟用定時(shí)器，使用定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，將定時(shí)器PWM的輸出連接到LED上，控制LED的亮度。通過(guò)PLL模塊來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為２５MHｚ。

二、最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1、OR1200

1、OR1200是OR1000的一種實(shí)現(xiàn)，源于OpenRISC項(xiàng)目，免費(fèi)開(kāi)源。

2、OR1200采用數(shù)據(jù)和指令分離的哈佛體系結(jié)構(gòu)，為32位RISC處理器，所以O(shè)R1200占用兩個(gè)主端口，rim和rdm端口，分別為指令和數(shù)據(jù)總線。

3、OR1200支持中斷、電源管理燈多種功能

2、wishbone

1、wishbone總線是Silicore公司推出的片上總線標(biāo)準(zhǔn)，被opencore組織采用并維護(hù)。

2、wishbone支持8個(gè)主設(shè)備和16個(gè)從設(shè)備，內(nèi)置仲裁器，允許多個(gè)主從設(shè)備進(jìn)行通信

3、存儲(chǔ)器

1、可以使用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器，也可以使用FPGA嵌入式存儲(chǔ)塊來(lái)實(shí)現(xiàn)

2、存儲(chǔ)器生成以后，要采用wishbone總線進(jìn)行封裝，使其符合wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)

三、各功能模塊軟硬件設(shè)計(jì)

1、GPIO

1、模塊主要特征：

①用戶可以從1到32之間選擇通用IO信號(hào)的個(gè)數(shù)，更多信號(hào)可以采用多個(gè)GPIOP核并用。

②包含三態(tài)使能端或開(kāi)漏使能端（需要三態(tài)或漏級(jí)開(kāi)路IO單元）。

③設(shè)為輸入的通用O信號(hào)可對(duì)CPU產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。

④設(shè)為輸入的通用I/O信號(hào)能記錄在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿或外部時(shí)鐘的用戶編程邊沿。

2、GPIO模塊主要由WISHBONE主機(jī)接口、GPIO寄存器、輔助輸入輸出端口、外部單元接口組成。GPIO核結(jié)構(gòu)如下所示：

3、GPIO模塊接口采用wishbone接口，在本設(shè)計(jì)中GPIO連接到wishbone總線的從接口14上，基地址定義為“GPIO_BASE ?0xE0000000”。

4、GPIO的寄存器定義如下：

按照如上的定義定義寄存器的地址：

5、在初始化GPIO時(shí)，設(shè)置高8位為輸入，低8位為輸出，開(kāi)啟外部中斷，開(kāi)啟GPIO高8位輸入的中斷，并設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷。相應(yīng)的GPIO初始化程序?yàn)椋?/span>

６、將GPIO配置為雙向端口，OE為輸入輸出控制端。將GPIO端口定義為“ｉｎｏｕｔ”類型，相應(yīng)的模塊結(jié)構(gòu)如下：

對(duì)于每一位都可以單獨(dú)設(shè)置為輸入輸出，相應(yīng)的HDL描述為：

2、UART配置

1、UART為異步串行接口，數(shù)據(jù)在單條傳輸線上一位一位的傳輸，節(jié)省通信總線，碼率低，本設(shè)計(jì)采用opencore上開(kāi)源的UART?16550 IP模塊。

2、在UART16550模塊中，我們約定數(shù)據(jù)為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)效驗(yàn)位，波特率設(shè)置位115200.

3、UART控制器表示如下：

UART接口控制器設(shè)計(jì)中只支持TXD和RXD兩個(gè)信號(hào)。

4、設(shè)置串行通信的波特率為115200，波特率設(shè)置方式為“（輸入時(shí)鐘速度）/（除數(shù)鎖存值）= 16 x 通信

波特率“。

5、在設(shè)計(jì)時(shí)我們通常只使用“void uart_putc(char c)”函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“void uart_init(void)”函數(shù)來(lái)初始化。

3、定時(shí)器、看門狗和PWM（PTC）

1、PTC的主要功能為：

①32位計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)功能;

②次或連續(xù)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù);

③可編程PWM模式;

④系統(tǒng)時(shí)鐘核外部時(shí)鐘兩種選擇;HI/LO參考和捕獲寄存器;

⑤PWM輸出三態(tài)控制;

⑥PWM計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)中斷;

⑦WISHBONE?接口兼容。

?

2、PTC模塊的結(jié)構(gòu)如下：

PTC通過(guò)WISHBONE接口連接到系統(tǒng)并與系統(tǒng)通信，ＰＴＣ有４個(gè)與外部連接的端口。ｐｔｃ＿ｅｃｇｔ為當(dāng)使用外部輸入時(shí)鐘時(shí)的時(shí)鐘輸入端；ｐｔｃ＿ｃａｐｔ為使用捕獲輸入模式模式時(shí)，當(dāng)輸入下降沿或上升沿時(shí)，捕獲當(dāng)前的計(jì)數(shù)值；ｐｔｃ＿ｐｗｍ為使用輸出比較模式時(shí)，ｐｗｍ波輸出接口。

３、PTC的寄存器定義為：

PTC共有４個(gè)寄存器，我們將PTC連接到ＷＩＳＨＢＯＮＥ從模塊的１５端口，對(duì)于寄存器的定義為：

４、我們使用PTC模塊來(lái)產(chǎn)生ｐｗｍ波形，在初始化時(shí)，首先使能PTC模塊，然后使能ｐｗｍ輸出功能，配置定時(shí)器為自動(dòng)循環(huán)計(jì)數(shù)方式，然后設(shè)置ＨＲＣ和LRC的值，以配置ｐｗｍ的頻率和占空比。

在產(chǎn)生ｐｗｍ波時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)到LRC的值時(shí)，在從０開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)當(dāng)前計(jì)數(shù)值小于HRC時(shí)ｐｗｍ輸出為低電平，當(dāng)當(dāng)前計(jì)數(shù)值大于HRC的值時(shí)，ｐｗｍ輸出高電平，所以LRC決定ｐｗｍ的頻率，ＨＲＣ決定ｐｗｍ的占空比。

４、鎖相環(huán)設(shè)置（PLL）

　?。?、鎖相環(huán)能調(diào)節(jié)輸入時(shí)鐘的頻率和相位，我們采用PLL模塊將FPGA上５０MＨｚ的信號(hào)時(shí)鐘變?yōu)椋玻担停龋?/p>

２、

四、軟件設(shè)計(jì)

１、中斷設(shè)置

　　１、需要先使用“l(fā).mtspr”配置特殊功能寄存器開(kāi)處理器中斷；中斷服務(wù)函數(shù)使用“l(fā).rfe”返回。開(kāi)中斷操作為：

　　　　　　　　　l.mfspr r1,r0,0x0011

????????　　　　　l.ori r3,r1,0x6

????????　　　　　l.mtspr r0,r3,0x0011

２、外部中斷對(duì)應(yīng)的中斷向量地址為０X８００，當(dāng)外部中斷響應(yīng)后，程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到０ｘ８００地址處執(zhí)行相應(yīng)的程序。

３、在０ｘ８００處，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)處，在中斷服務(wù)函數(shù)中，要清楚中斷標(biāo)志位，即使“REG32(RGPIO_INTS )=0x00000000;”中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行完畢后調(diào)用“l(fā).rfe”指令恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，接著執(zhí)行相應(yīng)的程序。

２、主程序設(shè)計(jì)

１、在主程序中，首先初始化串口、定時(shí)器和GPIO，配置定時(shí)器頻率為１ｋＨｚ，占空比為５０％。

２、相應(yīng)的C程序?yàn)椋?/p>

３、中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計(jì)

在中斷服務(wù)函數(shù)中，首先通過(guò)串口打印相應(yīng)的字符，然后在清楚中斷，調(diào)用“l(fā).rfe”指令進(jìn)行中斷返回。

五、結(jié)果驗(yàn)證

１、仿真驗(yàn)證

　　通過(guò)Ｍｏｄｅｌｓｉｍ進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)施加一定的激勵(lì)，觀察輸出的時(shí)序。

　　觀察的ｇｐｉｏ輸出值和串口打印數(shù)據(jù)為：

觀察的ｐｗｍ的輸出為

可以看到有相應(yīng)的ｐｗｍ波生成。

２、FPGA系統(tǒng)驗(yàn)證

將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)下載到FPGA中進(jìn)行驗(yàn)證

設(shè)計(jì)步驟為分析綜合、映射、布局、布線、管腳分配，在FPGA上上的引腳分配為：