電子技術(shù)應(yīng)用　李建峰 張金藝 謝 軍

        摘要：介紹了系統(tǒng)芯片SOC的概念和M8051 IP軟核的原理，給出了視頻字符疊加器VAD——SOC中M8051 IP軟核的作用，詳細(xì)介紹了I2C主控制器模塊的設(shè)計，給出了功能信真波形，最后對M8051 IP軟核在視頻字符疊加器中的重應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

        關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片 微控制器 M8051 IP軟核 視頻字符疊加器

隨著集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路的規(guī)模不斷擴大。這使得將復(fù)雜系統(tǒng)集成在單個芯片上成為可能，于是便出現(xiàn)了系統(tǒng)芯片SOC（System on a Chip）。傳統(tǒng)芯片設(shè)計方法關(guān)注的是如何創(chuàng)建一個全新的設(shè)計并進(jìn)行有效的驗證；如今在SOC設(shè)計中，基于IP模塊的功能組裝正在逐漸替代傳統(tǒng)的功能設(shè)計而成為主流設(shè)計方法。基于IP模塊的SOC設(shè)計方法的基本思路是通過系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用層次，利用現(xiàn)有的IP資源，根據(jù)系統(tǒng)需求選用適當(dāng)?shù)腎P模塊，進(jìn)行系統(tǒng)集成設(shè)計；基于IP模塊的SOC設(shè)計方法是采用IP模塊而不是采用基本邏輯或電路單元作為基礎(chǔ)單元，即以功能組裝代替功能設(shè)計。這就提高了設(shè)計者的設(shè)計能力。能夠較快地完成設(shè)計，保證設(shè)計成功，以極低的價格滿足市場需求。

                
        M8051 IP軟核是高性能的8位微控制器（MCU），它的每個機器周期只需要兩個時鐘周期而不是標(biāo)準(zhǔn)8051[1]軟核的十二個周期，但是它的功能卻與標(biāo)準(zhǔn)的8051軟核兼容。這就使得M8051 IP軟核在同樣功耗的情況下運行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051軟核提高六倍，也就是說，若在同樣的運行速度下，M8051 IP軟核的功耗僅僅是標(biāo)準(zhǔn)8051軟核的六分之一。這對于現(xiàn)在的便攜式數(shù)字產(chǎn)品或低功耗產(chǎn)品或低功耗產(chǎn)品來說是相當(dāng)有競爭力的。

        視頻字符疊加器是一種在視頻信號中疊加入字符或簡單的圖文信息，從而在屏幕的特定位置上與圖像信號同時進(jìn)行顯示的設(shè)備[2]。視頻字符疊加器VAD——SOC的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括以下幾個IP模塊：M8051 IP軟核、I2C主控制器模塊、存儲器核和全彩色字符疊加處理器（FCA IP）等。其實現(xiàn)的功能是將片外或內(nèi)置的疊加字符ROM（如E/E2PROM、雙口RAM或Flash）中儲存的字符信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭莎B加在視頻信號上的信息，同時通過內(nèi)部時序控制功能單元，調(diào)節(jié)疊加字符在監(jiān)視器上的疊加位置、大小及其背景色和前景色等。

        本文主要介紹M8051 IP軟核的改進(jìn)設(shè)計，對其進(jìn)行有效的仿真和驗證；并對M8051 IP軟核在視頻字符疊加器VAD_SOC中的重應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

1 M8051 IP軟核結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)性設(shè)計

1.1 M8051 IP軟核的結(jié)構(gòu)

        M8051 IP軟核的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由五部分組成。

（1）算術(shù)邏輯單元（ALU）部分：位算術(shù)邏輯單元、帶進(jìn)位的算術(shù)邏輯單元、8位的算術(shù)邏輯單元，操作數(shù)的選擇、乘法/除法單元。

（2）數(shù)據(jù)存儲與交換部分：內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、內(nèi)部專用寄存器及其復(fù)用、專用功能寄存器的復(fù)用、核級專用功能寄存器。

（3）狀態(tài)機與程序存儲部分：主狀態(tài)機、程序計數(shù)器、程序計數(shù)器的運算單元。

（4）指令譯碼部分：部分指令、指令譯碼。

（5）外圍設(shè)備部分：（I/O）端口寄存器、中斷、定時器、計數(shù)器、通用串行口。

                
        從圖2可以看出，M8051 IP軟核與傳統(tǒng)8051單片機在組成部分及指令系統(tǒng)部分是兼容的，但功能上有些不同，所以，若要將M8051 IP軟核集成視頻字符疊加器VAD_SOC中，則需要進(jìn)行一些簡單的功能擴展和可復(fù)用設(shè)計。

1.2 I2C主控制器的RTL級實現(xiàn)

        I2C總線是Philips公司提出的一種串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCL）兩個總線即可完成全雙工同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，在需要與外圍器件進(jìn)行低速通信時，I2C總線是個不錯的選擇。