基于SoC的PSTN短消息終端系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

1 概述

PSTN短消息終端SoC是為固定電話網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字終端處理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF調(diào)制解調(diào)器、 LCD接口、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展頁(yè)面尋址接口以及線路狀態(tài)控制接口；可以完成FSK和DTMF格式的短消息上傳、下傳，CID（Calling IdenTIty Delivery,主叫識(shí)別信息傳送）號(hào)碼的接收，振鈴信號(hào)檢測(cè)，話機(jī)狀態(tài)控制等功能[1],提供了PSTN短消息終端的單芯片解決方案。其中，使用了 DW8051_core IP核作為SoC的微控制器核心。

SoC（System on chip,片上系統(tǒng)）不僅指它的硬件平臺(tái)，還包括運(yùn)行在其上的軟件成分。如果系統(tǒng)采用全硬件設(shè)計(jì)的方案，優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高，但是研制周期長(zhǎng)，從而成本也高；用軟件實(shí)現(xiàn)則更為靈活，研制周期短。缺點(diǎn)是速度慢，效率比較低。因此，SoC設(shè)計(jì)必須在硬件與軟件功能劃分上有一個(gè)合理的權(quán)衡，并進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì) [2].

2 SoC系統(tǒng)任務(wù)的軟硬件功能劃分

系統(tǒng)任務(wù)按功能可以分為通信、人機(jī)交互、Flash存儲(chǔ)器管理和外設(shè)管理四部分。通信的物理層功能即DTMF/FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，涉及插值、加權(quán)、相關(guān)等DSP運(yùn)算。考慮到通信的實(shí)時(shí)性要求和所使用8位微控制器的數(shù)據(jù)處理能力，這些運(yùn)算由專門設(shè)計(jì)的Modem硬件邏輯實(shí)現(xiàn)；而在數(shù)據(jù)鏈路層，比如建立和釋放與服務(wù)器的連接、超時(shí)控制、接收FSK數(shù)據(jù)幀、拆包、差錯(cuò)控制、提取返回消息層的信息和相應(yīng)標(biāo)志位的建立等，都交給微處理器由軟件實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互中的鍵盤掃描要不斷判斷是否有按鍵動(dòng)作發(fā)生，用軟件實(shí)現(xiàn)效率低，這里也用專門的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。其他人機(jī)交互功能，如菜單操作、短信編輯等，則都由軟件實(shí)現(xiàn)。Flash存儲(chǔ)器管理和外設(shè)管理在硬件提供了接口寄存器的情況下，由軟件實(shí)現(xiàn)。

把實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)算量大和重復(fù)性強(qiáng)的功能交給硬件去實(shí)現(xiàn)，然后在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，把盡可能多的任務(wù)留給片上的微控制器用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣降低了SoC的硬件復(fù)雜度以及制造成本，同時(shí)系統(tǒng)也可以獲得最大的靈活性。

　　3 SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)微控制器核的配置和擴(kuò)展

DW8051_core是Synopsys公司提供的一個(gè)與8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4個(gè)時(shí)鐘周期為1個(gè)指令周期的模式，在時(shí)鐘周期相同的情況下，處理能力是標(biāo)準(zhǔn)8051的3倍。DW8051_core訪問程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的MEM地址總線是16位總線，避免了傳統(tǒng) 8051結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)總線和地址總線低位的時(shí)分復(fù)用問題。

由于DW8051_core是一個(gè)IP軟核（soft core），所以可以對(duì)它進(jìn)行配置和擴(kuò)展。在綜合（synthesis）的時(shí)候，通過對(duì)參數(shù)文件的設(shè)置，可以選擇配置內(nèi)部RAM是128字節(jié)還是256字節(jié)；可以選擇是否使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器2,使用1個(gè)串口還是2個(gè)串口等。用戶還可以按照DW8051_core手冊(cè)的要求使用硬件描述語(yǔ)言編寫硬件邏輯，擴(kuò)展 SFR總線和中斷系統(tǒng)（最多可以擴(kuò)展到13級(jí)中斷）[3].

在SoC設(shè)計(jì)中，只使用到了微控制器核的1個(gè)硬件定時(shí)器（Timer0），1個(gè)外部中斷（Interrupt0），1個(gè)串行口（UART），并沒有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只會(huì)增加系統(tǒng)的硬件負(fù)擔(dān)，所以按照最精簡(jiǎn)的原則配置DW8051_core:使用內(nèi)部128字節(jié)RAM,不使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器2,不使用內(nèi)部ROM,只使用1個(gè)串口，不擴(kuò)展中斷。在DW8051_parameter.vhd文件中，作如下的參數(shù)設(shè)定 [3]可以完成上述配置：

package DW8051_parameter is

constant ram_256 : integer := 0;

constant timer2 : integer := 0;

constant rom_addr_size : integer := 0;

constant serial : integer := 0;

constant extd_intr : integer := 0;

end DW8051_parameter;

SoC中的FSK/DTMF調(diào)制解調(diào)器、LCD接口、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展頁(yè)面尋址接口以及線路狀態(tài)控制接口等，都作為片內(nèi)外設(shè)連接在 DW8051_core所特有的SFR內(nèi)部總線上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存儲(chǔ)器AM29LV040都連接在DW8051_core的MEM總線上，如圖1所示。

　　圖1 經(jīng)過擴(kuò)展的DW8051_core SFR總線以及SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 外設(shè)在SFR總線上的地址映射

DW8051_core通過SFR地址總線sfr_addr[0:7],SFR讀信號(hào)sfr_rd,SFR寫信號(hào)sfr_wr,SFR數(shù)據(jù)輸出總線sfr_data_out[0:7],數(shù)據(jù)輸入總線sfr_data_in[0:7]來訪問映射到SFR總線上的片上外設(shè)。每一個(gè)外設(shè)都通過SFR地址映射成SFR總線上的一個(gè)寄存器，如圖2所示。

對(duì)這些擴(kuò)展SFR寄存器的訪問和對(duì)普通寄存器的訪問在形式上并沒有區(qū)別。當(dāng)應(yīng)用程序使用Keil的C51編譯器時(shí)，修改reg51.h文件可以讓編譯器確認(rèn)用戶所擴(kuò)展的SFR寄存器。對(duì)擴(kuò)展SFR外設(shè)地址的分配可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要而不同，但是只能使用DW8051_core沒有保留和占用的地址，否則會(huì)發(fā)生沖突。在reg51.h文件中添加以下語(yǔ)句讓編譯器確認(rèn)擴(kuò)展的寄存器：

sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 擴(kuò)展，發(fā)送Modem數(shù)據(jù)，只寫 */

sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 擴(kuò)展，讀FSK解調(diào)數(shù)據(jù)，只讀 */

sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 擴(kuò)展，讀DTMF解調(diào)數(shù)據(jù)，只讀 */

sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 擴(kuò)展，Modem狀態(tài)，只讀 */

sfr MODEM_CTRL = 0xf2;/* 擴(kuò)展，Modem控制，只寫 */

sfr KEYPAD_VALUE = 0xf4;/* 擴(kuò)展，讀鍵盤值，只讀 */

sfr FLASH_PAGE = 0xf5; /* 擴(kuò)展，頁(yè)面尋址，只寫 */

sfr LCD_DATA = 0xf6; /* 擴(kuò)展，LCD數(shù)據(jù)，讀寫 */

sfr LCD_CTRL = 0xf7; /* 擴(kuò)展，LCD控制，只寫 */

sfr CIRCUIT_STATUS = 0xff; /* 擴(kuò)展，線路狀態(tài)，只讀 */

sfr CIRCUIT_CTRL = 0xff; /* 擴(kuò)展，線路控制，只寫 */

為了節(jié)約SFR總線地址資源，一些擴(kuò)展的SFR寄存器在硬件上設(shè)計(jì)為只能寫、不可讀，另外一些被設(shè)計(jì)為只能讀、不可寫。這樣，二者可以復(fù)用同一個(gè)SFR總線地址，比如MODEM_CTRL和READ_DTMF_DECODE寄存器；但是這樣在需要先將那些“只寫”寄存器的內(nèi)容讀出，運(yùn)算后再進(jìn)行寫回操作的時(shí)候就很不方便。這里采用了鏡像變量的方法，為每一個(gè)“只寫”寄存器建立一個(gè)全局變量，每次寫寄存器操作后，都對(duì)這個(gè)全局變量進(jìn)行同樣的寫操作，時(shí)刻保持變量值和寄存器的內(nèi)容一致，在需要讀出的時(shí)候就使用此全局變量。MODEM_CTRL寄存器的bit0控制Modem是DTMF還是FSK模式。下面以對(duì)這一位的操作為例說明。

建立它的鏡像全局變量：

unsigned char xdata modem_ctrl_mirror;

定義控制位：

#define MODEM_B0_MODE0x01// 1-DTMF, 0-FSK

　　圖2 片上外設(shè)在SFR總線上的物理連接

設(shè)置Modem為FSK模式：

void Modem_SetMode_FSK（） {

MODEM_CTRL = modem_ctrl_mirror & （~MODEM_B0_MODE）；

modem_ctrl_mirror = modem_ctrl_mirror & （~MODEM_B0_MODE）；

}

在初始化程序中對(duì)這些“只寫”寄存器及其鏡像全局變量進(jìn)行賦值。

void DevicesInit（） {

MODEM_CTRL = MODEM_CTRL_INI;

modem_ctrl_mirror = MODEM_CTRL_INI;

3.3 存儲(chǔ)空間的劃分和映射

在物理上，把8KB的片內(nèi)RAM分為兩部分，0000H~1BFFH（共7 KB）映射到數(shù)據(jù)空間，1C00H~1FFFH（共1 KB）映射到程序空間，并覆蓋Flash中程序空間的1C00H~1FFFH區(qū)域；把512 KB的Flash存儲(chǔ)器也分成兩部分，00000H~0FFFFH（共64 KB）映射到程序空間，剩下的10000H~7FFFFH（共448 KB）都映射到數(shù)據(jù)空間。

對(duì)微控制器核來說，可以尋址64 KB的程序空間和64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。對(duì)整個(gè)SoC而言，因?yàn)镕lash中的程序空間有1 KB被RAM程序空間覆蓋掉，所以邏輯上它的程序空間依然是64 KB,但數(shù)據(jù)空間變?yōu)? KB+448 KB,共455 KB.微控制器核通過擴(kuò)展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16頁(yè)的頁(yè)面方式訪問Flash存儲(chǔ)器，其中包括程序空間和數(shù)據(jù)空間，如圖3所示。

　　圖3 程序空間和數(shù)據(jù)空間的劃分和映射

在對(duì)Flash存儲(chǔ)器件進(jìn)行寫操作后的某一段時(shí)間內(nèi)（從幾十μs~幾百μs），對(duì)它進(jìn)行讀操作是不能讀出一個(gè)確切值的，這是Flash存儲(chǔ)器件的一個(gè)特性。本設(shè)計(jì)中程序和數(shù)據(jù)存放在同一個(gè)AM29LV040 Flash存儲(chǔ)器中。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作時(shí)，要不斷地從其中讀出進(jìn)行寫操作的程序指令，然后對(duì)它本身進(jìn)行寫操作。微控制器核在20 MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期大約是200 ns,即每隔200 ns左右，SoC就要從Flash存儲(chǔ)器中讀取一條指令。這顯然和上述的Flash存儲(chǔ)器特性發(fā)生了沖突。

通過對(duì)編譯環(huán)境的設(shè)定，可以把進(jìn)行寫Flash操作的函數(shù)unsigned char WriteData_FLASH （unsigned char * dest, unsigned char *scr, unsigned int len） 和Flash扇區(qū)擦除函數(shù)unsigned char EraseSector_FLASH （unsigned char sector_index）定位到程序空間的1C00H~1FFFH,并備份到數(shù)據(jù)空間的0EC00H~0EFFFH.在應(yīng)用程序的設(shè)備初始化函數(shù) void DevicesInit（）中，調(diào)用加載函數(shù)void LoadFLASHOpToRAM（），把對(duì)Flash進(jìn)行寫或者擦除操作的這1KB的程序代碼從Flash加載到RAM的程序空間。以后凡是涉及到對(duì) Flash的寫或者擦除操作，都由硬件邏輯切換總線到RAM去執(zhí)行這一段程序代碼。這樣，以不大的RAM開銷，解決了不能同時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行讀和寫操作的矛盾。函數(shù)void LoadFLASHOpToRAM（）的代碼如下：

#define PROG_RAM_DATA0xEC00

#define PROG_RAM_DATA_PAGE9

staTIc unsigned char xdata RAM_prog[1024] _at_ 0x1C00;

void LoadFLASHOpToRAM（）{

unsigned char xdata * p;

FLASH_PAGE = PROG_RAM_DATA_PAGE;

p = （unsigned char xdata *）PROG_RAM_DATA;

memcpy（RAM_prog,p,1024）；

}

4 總結(jié)

本文詳細(xì)講述了在基于微控制器IP核PSTN短消息終端SoC設(shè)計(jì)中軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。在合理劃分硬件和軟件任務(wù)的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)更好地達(dá)到了系統(tǒng)性能的要求。