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)號碼的接收，振鈴信號檢測，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，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信號的調(diào)制解調(diào)，涉及插值、加權(quán)、相關(guān)等DSP運(yùn)算?？紤]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)，所以可以對它進(jìn)行配置和擴(kuò)展。在綜合(synthesis)的時(shí)候，通過對參數(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手冊的要求使用硬件描述語言編寫硬件邏輯，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sfr_rd，SFR寫信號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。

對這些擴(kuò)展SFR寄存器的訪問和對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 */