1 概述
PSTN短消息終端SoC是為固定電話網短消息業務而設計的一種數字終端處理芯片。片上集成了微控制器、RAM、FSK/DTMF調制解調器、LCD接口、鍵盤掃描、數據存儲器擴展頁面尋址接口以及線路狀態控制接口；可以完成FSK和DTMF格式的短消息上傳、下傳，CID（Calling Identity Delivery，主叫識別信息傳送）號碼的接收，振鈴信號檢測，話機狀態控制等功能[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）不僅指它的硬件平臺，還包括運行在其上的軟件成分。如果系統采用全硬件設計的方案，優點是速度快、效率高，但是研制周期長，從而成本也高；用軟件實現則更為靈活，研制周期短。缺點是速度慢，效率比較低。因此，SoC設計必須在硬件與軟件功能劃分上有一個合理的權衡，并進行協同設計[2]。
2 SoC系統任務的軟硬件功能劃分
系統任務按功能可以分為通信、人機交互、Flash存儲器管理和外設管理四部分。通信的物理層功能即DTMF/FSK信號的調制解調，涉及插值、加權、相關等DSP運算。考慮到通信的實時性要求和所使用8位微控制器的數據處理能力，這些運算由專門設計的Modem硬件邏輯實現；而在數據鏈路層，比如建立和釋放與服務器的連接、超時控制、接收FSK數據幀、拆包、差錯控制、提取返回消息層的信息和相應標志位的建立等，都交給微處理器由軟件實現。人機交互中的鍵盤掃描要不斷判斷是否有按鍵動作發生，用軟件實現效率低，這里也用專門的硬件邏輯實現。其他人機交互功能，如菜單操作、短信編輯等，則都由軟件實現。Flash存儲器管理和外設管理在硬件提供了接口寄存器的情況下，由軟件實現。
把實時性強、運算量大和重復性強的功能交給硬件去實現，然后在滿足系統性能要求的情況下，把盡可能多的任務留給片上的微控制器用軟件實現。這樣降低了SoC的硬件復雜度以及制造成本，同時系統也可以獲得最大的靈活性。
3 SoC的軟硬件協同設計
3.1 對微控制器核的配置和擴展
DW8051_core是Synopsys公司提供的一個與8051指令兼容的8位微控制器IP核。它采用4個時鐘周期為1個指令周期的模式，在時鐘周期相同的情況下，處理能力是標準8051的3倍。DW8051_core訪問程序存儲器和數據存儲器的MEM地址總線是16位總線，避免了傳統8051結構中數據總線和地址總線低位的時分復用問題。
由于DW8051_core是一個IP軟核（soft core），所以可以對它進行配置和擴展。在綜合（synthesis）的時候，通過對參數文件的設置，可以選擇配置內部RAM是128字節還是256字節；可以選擇是否使用定時/計數器2，使用1個串口還是2個串口等。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，擴展SFR總線和中斷系統（最多可以擴展到13級中斷）[3]。
在SoC設計中，只使用到了微控制器核的1個硬件定時器（Timer0），1個外部中斷（Interrupt0），1個串行口（UART），并沒有使用DW8051_core的全部功能。那些冗余的功能只會增加系統的硬件負擔，所以按照最精簡的原則配置DW8051_core：使用內部128字節RAM，不使用定時/計數器2，不使用內部ROM，只使用1個串口，不擴展中斷。在DW8051_parameter.vhd文件中，作如下的參數設定[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調制解調器、LCD接口、鍵盤掃描、數據存儲器擴展頁面尋址接口以及線路狀態控制接口等，都作為片內外設連接在DW8051_core所特有的SFR內部總線上。8 KB的片上RAM和片外512 KB的Flash存儲器AM29LV040都連接在DW8051_core的MEM總線上，如圖1所示。
圖1 經過擴展的DW8051_core SFR總線以及SoC系統結構
3.2 外設在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數據輸出總線sfr_data_out[0:7]，數據輸入總線sfr_data_in[0:7]來訪問映射到SFR總線上的片上外設。每一個外設都通過SFR地址映射成SFR總線上的一個寄存器，如圖2所示。
對這些擴展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別。當應用程序使用Keil的C51編譯器時，修改reg51.h文件可以讓編譯器確認用戶所擴展的SFR寄存器。對擴展SFR外設地址的分配可以根據設計需要而不同，但是只能使用DW8051_core沒有保留和占用的地址，否則會發生沖突。在reg51.h文件中添加以下語句讓編譯器確認擴展的寄存器：
sfr SEND_MODEM_DATA = 0xf1;/* 擴展，發送Modem數據，只寫 */
sfr READ_FSK_DECODE = 0xf1;/* 擴展，讀FSK解調數據，只讀 */
sfr READ_DTMF_DECODE = 0xf2;/* 擴展，讀DTMF解調數據，只讀 */
sfr MODEM_STATUS = 0xf3;/* 擴展，Modem狀態，只讀 */
sfr MODEM_CTRL = 0xf2;/* 擴展，Modem控制，只寫 */
sfr KEYPAD_VALUE = 0xf4;/* 擴展，讀鍵盤值，只讀 */
sfr FLASH_PAGE = 0xf5; /* 擴展，頁面尋址，只寫 */
sfr LCD_DATA = 0xf6; /* 擴展，LCD數據，讀寫 */
sfr LCD_CTRL = 0xf7; /* 擴展，LCD控制，只寫 */
sfr CIRCUIT_STATUS = 0xff; /* 擴展，線路狀態，只讀 */
sfr CIRCUIT_CTRL = 0xff; /* 擴展，線路控制，只寫 */
為了節約SFR總線地址資源，一些擴展的SFR寄存器在硬件上設計為只能寫、不可讀，另外一些被設計為只能讀、不可寫。這樣，二者可以復用同一個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”寄存器的內容讀出，運算后再進行寫回操作的時候就很不方便。這里采用了鏡像變量的方法，為每一個“只寫”寄存器建立一個全局變量，每次寫寄存器操作后，都對這個全局變量進行同樣的寫操作，時刻保持變量值和寄存器的內容一致，在需要讀出的時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 片上外設在SFR總線上的物理連接
設置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);
}
在初始化程序中對這些“只寫”寄存器及其鏡像全局變量進行賦值。
void DevicesInit() {
MODEM_CTRL = MODEM_CTRL_INI;
modem_ctrl_mirror = MODEM_CTRL_INI;
}
3.3 存儲空間的劃分和映射
在物理上，把8KB的片內RAM分為兩部分，0000H～1BFFH（共7 KB）映射到數據空間，1C00H～1FFFH（共1 KB）映射到程序空間，并覆蓋Flash中程序空間的1C00H～1FFFH區域；把512 KB的Flash存儲器也分成兩部分，00000H～0FFFFH（共64 KB）映射到程序空間，剩下的10000H～7FFFFH（共448 KB）都映射到數據空間。
對微控制器核來說，可以尋址64 KB的程序空間和64 KB的數據存儲空間。對整個SoC而言，因為Flash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，但數據空間變為7 KB＋448 KB，共455 KB。微控制器核通過擴展的SFR寄存器FLASH_PAGE按32 KB×16頁的頁面方式訪問Flash存儲器，其中包括程序空間和數據空間，如圖3所示。
圖3 程序空間和數據空間的劃分和映射
在對Flash存儲器件進行寫操作后的某一段時間內（從幾十μs～幾百μs），對它進行讀操作是不能讀出一個確切值的，這是Flash存儲器件的一個特性。本設計中程序和數據存放在同一個AM29LV040 Flash存儲器中。在對Flash存儲器進行寫操作時，要不斷地從其中讀出進行寫操作的程序指令，然后對它本身進行寫操作。微控制器核在20 MHz的時鐘頻率下，指令周期大約是200 ns，即每隔200 ns左右，SoC就要從Flash存儲器中讀取一條指令。這顯然和上述的Flash存儲器特性發生了沖突。
通過對編譯環境的設定，可以把進行寫Flash操作的函數unsigned char WriteData_FLASH (unsigned char * dest, unsigned char *scr, unsigned int len) 和Flash扇區擦除函數unsigned char EraseSector_FLASH (unsigned char sector_index)定位到程序空間的1C00H～1FFFH，并備份到數據空間的0EC00H～0EFFFH。在應用程序的設備初始化函數void DevicesInit()中，調用加載函數void LoadFLASHOpToRAM()，把對Flash進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Flash的寫或者擦除操作，都由硬件邏輯切換總線到RAM去執行這一段程序代碼。這樣，以不大的RAM開銷，解決了不能同時對Flash進行讀和寫操作的矛盾。函數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
本文詳細講述了在基于微控制器IP核PSTN短消息終端SoC設計中軟硬件協同設計的方法。在合理劃分硬件和軟件任務的基礎上，使設計更好地達到了系統性能的要求。現在SoC已經在Xilinx VirtexII 2v1000 FPGA驗證平臺上順利運行，并成功進行了和服務器的互聯互通測試。