一种可灵活配置的可编程片上系统芯片及其启动配置方法
【专利摘要】本发明公开了一种可灵活配置的可编程片上系统芯片及其启动配置方法，芯片包括内核模块、片上总线、启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA。本发明通过内嵌存储模块或外设存储器可以实现对FPGA的多样配置，能有效提高FPGA配置模式的多样化。而且还可以依托总线资源上挂载的通用接口的任意外设，来完成对FPGA的灵活配置，有效解决了配置方式单一、无法面向对象根据实际应用来进行配置的问题。本发明可在内核模块启动后，可以主导FPGA配置的方式，控制FPGA配置的过程，有效提高配置过程的可控性。本发明可广泛应用于集成电路领域中。
【专利说明】—种可灵活配置的可编程片上系统芯片及其启动配置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路【技术领域】，尤其涉及一种可灵活配置的可编程片上系统芯片及其启动配置方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术的发展，SOC已经成为IC设计业界的焦点。SOC性能越来越强，规模越来越大。SOC芯片的规模一般远大于普通的ASIC，同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等，使得SOC设计的复杂度大大提高。特别地，对于一些仅为小批量应用或出于开发阶段的S0C，若马上投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。SOPCXSystemon a Programmable Chip,可编程片上系统)技术则提供了一种有效的解决方案。
[0003]相对传统的设计技术，SOPC可以更好的满足系统化、网络化、高速度、低功耗等实际需求，它将处理器、存储器、外设接口和多层次用户电路等系统设计需要的功能模块集成到一块芯片上，大量采用IP复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向下混合设计的方法。因其灵活、高效、设计可重用特性，SOPC已经成为集成电路未来的发展方向，广泛应用到汽车、军事、航空航天、测试测量、消费电子、无线通信、医疗等领域。
[0004]由于SOPC内部集成了 FPGA，需对FPGA进行适当的配置，传统的配置模式主要包括并行主模式、主从模式、串行模式和外设模式等。这几种配置模式的配置方式都比较单一，无法面向对象根据实际应用来进行配置。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种配置方式多样化，能根据实际应用来进行配置的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片。
[0006]本发明的另一个目的是提供一种能根据实际应用来进行配置，且能提高配置过程可控性的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法。
[0007]本发明所采用的技术方案是:
一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，包括内核模块、片上总线、启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA，所述片上总线分别与启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块和内核模块连接，所述启动配置模块分别与内核模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA连接，所述DMA控制模块与通用外设接口控制模块连接。
[0008]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内核模块包括有嵌入式系统内核、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块，所述嵌入式系统内核分别与启动配置模块、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块连接，所述片上总线接口控制模块与片上总线连接。
[0009]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内嵌FPGA包括可配置逻辑模块和输入输出模块，所述可配置逻辑模块通过输入输出模块与启动配置模块连接。
[0010]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内嵌存储模块为SPI FLASH芯片。
[0011]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述存储控制模块还连接有外部存储器。
[0012]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述外部存储器为NOR FLASH芯片或NAND FLASH芯片或SPI FLASH芯片。
[0013]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述通用外设接口控制模块包括1553B接口控制器、LVDS接口控制器、UART接口控制器、429接口控制器、SPI接口控制器、I2C接口控制器和CAN接口控制器。
[0014]本发明所采用的另一技术方案是:
一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法，包括以下步骤:
A、所述启动配置模块从内嵌存储模块或外部存储器中的内核启动数据搬移至内核模块的高速缓存模块中；
B、根据内核启动数据，读取指令并执行上电启动程序；
C、将FPGA配置数据的存放位置通知至启动配置模块；
D、根据FPGA配置数据的存放位置，启动配置模块通过DMA方式将FPGA配置数据加载至内嵌FPGA中。
[0015]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法的进一步改进，所述存放位置包括内嵌存储模块、外部存储器和通用外设接口控制模块控制片上总线连接的相关接口外设。
[0016]本发明的有益效果是:
本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片通过内嵌存储模块或外设存储器可以实现对FPGA的多样配置，能有效提高FPGA配置模式的多样化。而且还可以依托总线资源上挂载的通用接口的任意外设，来完成对FPGA的灵活配置，有效解决了配置方式单一、无法面向对象根据实际应用来进行配置的问题。
[0017]本发明的另一个有益效果是:
本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法通过内嵌存储模块或外设存储器可以实现对FPGA的多样配置，能有效提高FPGA配置模式的多样化。而且还可以依托总线资源上挂载的通用接口的任意外设，来完成对FPGA的灵活配置，有效解决了配置方式单一、无法面向对象根据实际应用来进行配置的问题。本发明可在内核模块启动后，可以主导FPGA配置的方式，控制FPGA配置的过程，有效提高配置过程的可控性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明:
图1是本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的原理方框图；
图2是本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片中内核模块的原理方框图；
图3是本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片中内嵌FPGA的原理方框图； 图4是本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0019]参考图1，本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，包括内核模块、片上总线、启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA，所述片上总线分别与启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块和内核模块连接，所述启动配置模块分别与内核模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA连接，所述DMA控制模块与通用外设接口控制模块连接。
[0020]参考图2，作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内核模块包括有嵌入式系统内核、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块，所述嵌入式系统内核分别与启动配置模块、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块连接，所述片上总线接口控制模块与片上总线连接。所述内核模块主要功能是完成本发明的可编程片上系统的整体控制。
[0021]参考图3，作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内嵌FPGA包括可配置逻辑模块和输入输出模块，所述可配置逻辑模块通过输入输出模块与启动配置模块连接。功能用途上包括数个时钟管理单元、数十万等效逻辑门、100多个输入输出端口，还通过嵌入式的片上总线与内核模块互连，支持多路中断，实现本发明的硬件可编程能力。
[0022]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述内嵌存储模块为SPI FLASH芯片。所述的内嵌存储模块主要完成对内核启动数据和内嵌FPGA配置数据的存储，在本发明中的具体实施例中为传输速率和读写频率均可配置的SPI Flash芯片。
[0023]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述存储控制模块还连接有外部存储器。
[0024]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述外部存储器为NOR FLASH芯片或NAND FLASH芯片或SPI FLASH芯片。
[0025]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片的进一步改进，所述通用外设接口控制模块包括1553B接口控制器、LVDS接口控制器、UART接口控制器、429接口控制器、SPI接口控制器、I2C接口控制器和CAN接口控制器。所述的通用外设接口控制模块可以作为主控端通过寄存器设置所述片上总线上挂载的相应接口的外部设备，并且发送命令进行数据的读写操作。
[0026]所述的启动配置模块主要完成两个部分的功能。首先，在上电的时候自动加载所述内嵌存储模块或外部存储器中的启动数据到内核模块，然后释放复位信号，使内核模块取指令运行启动程序；其次，内核正常启动之后，根据内核模块的配置从相应的模块搬移FPGA配置数据到所述的内嵌FPGA中。
[0027]所述的浮点运算加速模块，支持正弦函数、余弦函数、开方等运算功能，包含向零取整、向偶取整等多种舍入模式，会产生无效操作、非规格数输入等多种中断，有利于提高本发明的运算处理能力。
[0028]所述的系统控制模块主要用于对系统的时钟频率设置、时钟分频设置、端口复用、门控时钟使能等功能进行配置。
[0029]所述的DMA控制模块主要完成对所述片上总线挂载的各模块的数据和寄存器进行DMA操作，包含优先级可配置的多个数据通道，支持内存到内存、内存到外部存储器、夕卜部存储器到内存、外部存储器到外部存储器等多种传输模式。
[0030]所述的存储控制模块可以支持SDRAM接口、SRAM接口和Flash接口的存储器，主要功能包括产生存储器访问的地址、数据和控制等信号，控制存储器和相关寄存器的读写。
[0031]参考图4，本发明一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法，包括以下步骤:
A、所述启动配置模块从内嵌存储模块或外部存储器中的内核启动数据搬移至内核模块的高速缓存模块中；
B、根据内核启动数据，读取指令并执行上电启动程序；
C、将FPGA配置数据的存放位置通知至启动配置模块；
D、根据FPGA配置数据的存放位置，启动配置模块通过DMA方式将FPGA配置数据加载至内嵌FPGA中。
[0032]作为所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法的进一步改进，所述存放位置包括内嵌存储模块、外部存储器和通用外设接口控制模块控制片上总线连接的相关接口外设。
[0033]实施例1，本实施例中，芯片内核启动数据存放在内嵌存储模块中，所述的内嵌存储模块在本实施例中为SPI Flash芯片，FPGA配置数据存放在外部存储器中，所述的外部存储器在本实施例中为NOR Flash芯片。
[0034]S11、启动配置模块先将内核启动数据从SPI Flash芯片搬移到芯片内核模块的内存中，所述的内存为内核集成的高速缓存。数据搬移完成之后,芯片内核从内存中取指令执行上电启动程序；
512、在内核模块完成启动之后，内核模块会通知启动配置模块，FPGA配置数据存放在外部存储器中，所述的外部存储器在本实施例中为NOR Flash芯片。同时，内核模块还会配置FPGA配置数据在NOR Flash芯片中的偏移地址；
513、启动配置模块启动后，根据内核模块对NORFlash芯片偏移地址的配置，通过DMA的方式将FPGA配置数据从NOR Flash芯片搬移到内嵌FPGA内的配置接口部分，实现对内嵌FPGA的配置。
[0035]实施例2，本实施例中，芯片内核启动数据存放在外部存储器中，所述的外部存储器在本实施例中为NAND Flash芯片，FPGA配置数据存放在通过通用外设接口控制模块控制的片上总线挂载着的相关接口外设上，所述的外部存储器在本实施例中为通过SPI控制器控制的SPI Flash。
[0036]S21、启动配置模块先将内核启动数据从NAND Flash芯片通过片上总线搬移到芯片内核模块的内存中，所述的内存为内核集成的高速缓存。数据搬移完成之后,芯片内核从内存中取指令执行上电启动程序；
S22、在内核完成启动之后，内核模块会通知启动配置模块，FPGA配置数据存放在通用外设接口控制模块控制的外设中，所述的外设在本实施例中为SPI控制器控制的SPIFlash芯片。同时，内核模块还会配置FPGA配置数据在SPI Flash芯片中的偏移地址；
S23、启动配置模块启动后，根据内核模块对SPI Flash芯片偏移地址的配置，通过DMA的方式将FPGA配置数据从SPI Flash芯片搬移到内嵌FPGA内的配置接口部分，实现对内嵌FPGA的配置。
[0037]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【权利要求】
1.一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:包括内核模块、片上总线、启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA，所述片上总线分别与启动配置模块、系统控制模块、存储控制模块、浮点运算加速模块、DMA控制模块、通用外设接口控制模块和内核模块连接，所述启动配置模块分别与内核模块、内嵌存储模块和内嵌FPGA连接，所述DMA控制模块与通用外设接口控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述内核模块包括有嵌入式系统内核、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块，所述嵌入式系统内核分别与启动配置模块、高速缓存模块、存储管理模块和片上总线接口控制模块连接，所述片上总线接口控制模块与片上总线连接。
3.根据权利要求1所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述内嵌FPGA包括可配置逻辑模块和输入输出模块，所述可配置逻辑模块通过输入输出模块与启动配置模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述内嵌存储模块为SPI FLASH芯片。
5.根据权利要求1所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述存储控制模块还连接有外部存储器。
6.根据权利要求5所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述外部存储器为NOR FLASH芯片或NAND FLASH芯片或SPI FLASH芯片。
7.根据权利要求1所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片，其特征在于:所述通用外设接口控制模块包括1553B接口控制器、LVDS接口控制器、UART接口控制器、429接口控制器、SPI接口控制器、I2C接口控制器和CAN接口控制器。
8.—种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法，其特征在于:包括以下步骤: A、所述启动配置模块从内嵌存储模块或外部存储器中的内核启动数据搬移至内核模块的高速缓存模块中； B、根据内核启动数据，读取指令并执行上电启动程序； C、将FPGA配置数据的存放位置通知至启动配置模块； D、根据FPGA配置数据的存放位置，启动配置模块通过DMA方式将FPGA配置数据加载至内嵌FPGA中。
9.根据权利要求8所述的一种可灵活配置的可编程片上系统芯片启动配置方法，其特征在于:所述存放位置包括内嵌存储模块、外部存储器和通用外设接口控制模块控制片上总线连接的相关接口外设。
【文档编号】G06F15/76GK104298645SQ201410529305
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】孙长江, 刘建新, 胡华锋, 王文青, 吴煜 申请人:深圳市国微电子有限公司