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基于SoC的PSTN短消息终端系统的软硬件设计

2018-02-13 14:50:09来源: eefocus 关键字:SoC  PSTN短消息  终端系统

    1 前 言

    PSTN短消息终端SoC是为固定电话网短消息业务而设计的一种数字终端处理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF调制解调器、 LCD接口、键盘扫描、数据存储器扩展页面寻址接口以及线路状态控制接口;可以完成FSK和DTMF格式的短消息上传、下传,CID(Calling IdenTIty Delivery,主叫识别信息传送)号码的接收,振铃信号检测,话机状态控制等功能[1],提供了PSTN短消息终端的单芯片解决方案。其中,使用了 DW8051_core IP核作为SoC的微控制器核心。

 

    SoC(System on Chip,片上系统)不仅指它的硬件平台,还包括运行在其上的软件成分。如果系统采用全硬件设计的方案,优点是速度快、效率高,但是研制周期长,从而成本也高;用软件实现则更为灵活,研制周期短。缺点是速度慢,效率比较低。因此,SoC设计必须在硬件与软件功能划分上有一个合理的权衡,并进行协同设计 [2]。

    2 SoC系统任务的软硬件功能划分

    系统任务按功能可以分为通信、人机交互、Flash存储器管理和外设管理四部分。通信的物理层功能即DTMF/FSK信号的调制解调,涉及插值、加权、相关等DSP运算。考虑到通信的实时性要求和所使用8位微控制器的数据处理能力,这些运算由专门设计的Modem硬件逻辑实现;而在数据链路层,比如建立和释放与服务器的连接、超时控制、接收FSK数据帧、拆包、差错控制、提取返回消息层的信息和相应标志位的建立等,都交给微处理器由软件实现。人机交互中的键盘扫描要不断判断是否有按键动作发生,用软件实现效率低,这里也用专门的硬件逻辑实现。其他人机交互功能,如菜单操作、短信编辑等,则都由软件实现。Flash存储器管理和外设管理在硬件提供了接口寄存器的情况下,由软件实现。

    把实时性强、运算量大和重复性强的功能交给硬件去实现,然后在满足系统性能要求的情况下,把尽可能多的任务留给片上的微控制器用软件实现。这样降低了SoC的硬件复杂度以及制造成本,同时系统也可以获得最大的灵活性。

    3 SoC的软硬件协同设计

    3.1 对微控制器核的配置和扩展

    DW8051_core是Synopsys公司提供的一个与8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4个时钟周期为1个指令周期的模式,在时钟周期相同的情况下,处理能力是标准8051的3倍。DW8051_core访问程序存储器和数据存储器的MEM地址总线是16位总线,避免了传统 8051结构中数据总线和地址总线低位的时分复用问题。

    由于DW8051_core是一个IP软核(SOFt core),所以可以对它进行配置和扩展。在综合(synthesis)的时候,通过对参数文件的设置,可以选择配置内部RAM是128字节还是256字节;可以选择是否使用定时/计数器2,使用1个串口还是2个串口等。用户还可以按照DW8051_core手册的要求使用硬件描述语言编写硬件逻辑,扩展 SFR总线和中断系统(最多可以扩展到13级中断)[3]。

    在SoC设计中,只使用到了微控制器核的1个硬件定时器(Timer0),1个外部中断(Interrupt0),1个串行口(UART),并没有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只会增加系统的硬件负担,所以按照最精简的原则配置DW8051_core:使用内部128字节RAM,不使用定时/计数器2,不使用内部ROM,只使用1个串口,不扩展中断。在DW8051_parameter.vhd文件中,作如下的参数设定 [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调制解调器、LCD接口、键盘扫描、数据存储器扩展页面寻址接口以及线路状态控制接口等,都作为片内外设连接在 DW8051_core所特有的SFR内部总线上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存储器AM29LV040都连接在DW8051_core的MEM总线上,如图1所示。

     

     

    图1 经过扩展的DW8051_core SFR总线以及SoC系统结构

    3.2 外设在SFR总线上的地址映射

    DW8051_core通过SFR地址总线sfr_addr[0:7],SFR读信号sfr_rd,SFR写信号sfr_wr,SFR数据输出总线sfr_data_out[0:7],数据输入总线sfr_data_in[0:7]来访问映射到SFR总线上的片上外设。每一个外设都通过SFR地址映射成SFR总线上的一个寄存器,如图2所示。

    对这些扩展SFR寄存器的访问和对普通寄存器的访问在形式上并没有区别。当应用程序使用Keil的C51编译器时,修改reg51.h文件可以让编译器确认用户所扩展的SFR寄存器。对扩展SFR外设地址的分配可以根据设计需要而不同,但是只能使用DW8051_core没有保留和占用的地址,否则会发生冲突。在reg51.h文件中添加以下语句让编译器确认扩展的寄存器:

    sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 扩展,发送Modem数据,只写 */

    sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 扩展,读FSK解调数据,只读 */

    sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 扩展,读DTMF解调数据,只读 */

    sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 扩展,Modem状态,只读 */

    sfr MODEM_CTRL = 0xf2;/* 扩展,Modem控制,只写 */

    sfr KEYPAD_VALUE = 0xf4;/* 扩展,读键盘值,只读 */

    sfr FLASH_PAGE = 0xf5; /* 扩展,页面寻址,只写 */

    sfr LCD_DATA = 0xf6; /* 扩展,LCD数据,读写 */

    sfr LCD_CTRL = 0xf7; /* 扩展,LCD控制,只写 */

    sfr CIRCUIT_STATUS = 0xff; /* 扩展,线路状态,只读 */

    sfr CIRCUIT_CTRL = 0xff; /* 扩展,线路控制,只写 */

    为了节约SFR总线地址资源,一些扩展的SFR寄存器在硬件上设计为只能写、不可读,另外一些被设计为只能读、不可写。这样,二者可以复用同一个SFR总线地址,比如MODEM_CTRL和READ_DTMF_DECODE寄存器;但是这样在需要先将那些“只写”寄存器的内容读出,运算后再进行写回操作的时候就很不方便。这里采用了镜像变量的方法,为每一个“只写”寄存器建立一个全局变量,每次写寄存器操作后,都对这个全局变量进行同样的写操作,时刻保持变量值和寄存器的内容一致,在需要读出的时候就使用此全局变量。MODEM_CTRL寄存器的bit0控制Modem是DTMF还是FSK模式。下面以对这一位的操作为例说明。

    建立它的镜像全局变量:

    unsigned char xdata modem_ctrl_mirror;

    定义控制位:

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

    图2 片上外设在SFR总线上的物理连接

    设置Modem为FSK模式:

    void Modem_SetMode_FSK() {

    MODEM_CTRL = modem_ctrl_mirror & (~MODEM_B0_MODE);

    modem_ctrl_mirror = modem_ctrl_mirror & (~MODEM_B0_MODE);

    }

    在初始化程序中对这些“只写”寄存器及其镜像全局变量进行赋值。

    void DevICesInit() {

    MODEM_CTRL = MODEM_CTRL_INI;

    modem_ctrl_mirror = MODEM_CTRL_INI;

    }

    3.3 存储空间的划分和映射

    在物理上,把8KB的片内RAM分为两部分,0000H~1BFFH(共7 KB)映射到数据空间,1C00H~1FFFH(共1 KB)映射到程序空间,并覆盖Flash中程序空间的1C00H~1FFFH区域;把512 KB的Flash存储器也分成两部分,00000H~0FFFFH(共64 KB)映射到程序空间,剩下的10000H~7FFFFH(共448 KB)都映射到数据空间。

 

    对微控制器核来说,可以寻址64 KB的程序空间和64 KB的数据存储空间。对整个SoC而言,因为Flash中的程序空间有1 KB被RAM程序空间覆盖掉,所以逻辑上它的程序空间依然是64 KB,但数据空间变为7 KB+448 KB,共455 KB。微控制器核通过扩展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16页的页面方式访问Flash存储器,其中包括程序空间和数据空间,如图3所示。

    图3 程序空间和数据空间的划分和映射

    在对Flash存储器件进行写操作后的某一段时间内(从几十μs~几百μs),对它进行读操作是不能读出一个确切值的,这是Flash存储器件的一个特性。本设计中程序和数据存放在同一个AM29LV040 Flash存储器中。在对Flash存储器进行写操作时,要不断地从其中读出进行写操作的程序指令,然后对它本身进行写操作。微控制器核在20 MHz的时钟频率下,指令周期大约是200 ns,即每隔200 ns左右,SoC就要从Flash存储器中读取一条指令。这显然和上述的Flash存储器特性发生了冲突。

通过对编译环境的设定,可以把进行写Flash操作的函数unsigned char WritEDAta_FLASH (unsigned char * dest, unsigned char *scr, unsigned int len) 和Flash扇区擦除函数unsigned char EraseSector_FLASH (unsigned char sector_index)定位到程序空间的1C00H~1FFFH,并备份到数据空间的0EC00H~0EFFFH。在应用程序的设备初始化函数 void DevICesInit()中,调用加载函数void LoadFLASHOpToRAM(),把对Flash进行写或者擦除操作的这1KB

[1] [2]

关键字:SoC  PSTN短消息  终端系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2018021337787.html
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