基于管理和組合HDL電路單元IP庫的HAD輔助設計軟件研究

1、引言

在基于MCU的系統設計中，一般采用“MCU+PLD”的系統結構。PLD器件具有在系統現場可重復編程的能力，用來實現系統的I/O接口等外圍功能。在這類系統中，絕大多數的數字邏輯可在PLD器件內部完成。在設計一個新系統時，應盡可能利用以往設計中已使用過的IP模塊，這些模塊的設計已成熟、并經過時間考驗，可提高設計的重復利用率，并使系統性能和質量得到保證。在長期的設計工作中，人們已積累了大量的IP 模塊，如在一個新的設計中加以利用，必然存在如何管理這些模塊的問題。為此可采用“集約式”的設計方法，以提高設計效率。硬件“集約式”的設計方法如圖1所示，它類似于軟件中高級語言的設計方式。先用HDL語言對各種不同功能的電路模塊建立IP模塊，創建電路單元IP庫。然后根據設計規范的要求，從庫中選取不同的電路單元組成描述外圍接口電路的HDL程序。最后，用相應的PLD 設計工具對HDL程序進行邏輯綜合，在PLD器件內部完成布局布線，生成最終的數字電路。由于這些電路單元是用HDL語言描述的，而HDL語言的特點就是與工藝無關，因此用它描述的電路單元的可移植性非常好，可以在采用不同工藝制造的PLD器件中使用。于是，電路單元庫可以用在不同的系統中，避免了重復設計與資源浪費。

Xilinx公司和Altera公司的設計工具中，提供了一些HDL形式的電路庫。不過庫單元都是比較簡單的小規模數字電路，如邏輯門、74系列器件等，對中、大規模和復雜邏輯時序電路的設計幫助不大。另外也有一些外圍功能模塊和復雜邏輯的單元庫提供如通用異步收發器、有限沖擊響應濾波器等，但不是以HDL的形式提供的，只適用于某些特定的PLD器件，移植性比較差。因此，在實際工作中編制了一個管理和組合HDL電路單元IP庫的輔助設計軟件--HAD軟件。通過HAD軟件，對設計好的HDL電路庫進行管理，按照系統設計規范的要求從庫中選取相應的電路單元并將它們組合起來，大大降低了系統設計和調試的難度，提高了系統的穩定性和可靠性，并且有利于系統日后的升級。

2、HAD輔助設計軟件功能

輔助設計（HAD）軟件主要是對HDL語言的電路起一個輔助設計的作用。HAD軟件的功能有兩個：管理電路單元IP庫以及生成所需外圍電路的 HDL程序。

電路單元庫的管理主要有兩個方面：電路單元接口的管理以及電路單元HDL程序的管理。因此，電路單元庫是由兩個庫組成的，一個是電路單元的接口庫，另外一個是電路單元HDL程序庫［7］。電路單元接口庫里的基本單位是各個電路單元的接口信息，電路單元HDL程序庫里的基本單位是描述各種電路單元的HDL源程序。類似于標準芯片，如8255芯片，電路單元的接口信息描述了這個標準芯片的輸入輸出以及它的功能，相當于8255的管腳和使用功能說明；而電路單元HDL程序描述了這個標準芯片內部的實際電路以及用何種電路結構實現相應功能的，這相當于8255芯片內部的電路組成和結構。對于管理一個庫來說，基本的操作主要是新增、刪除和修改庫單元。

HAD軟件的最終目的就是生成外圍電路的HDL 程序。也就是根據系統設計規范的要求從IP庫中選取合適的電路單元，再以適當的形式組合起來，成為一個完整的HDL程序。

3、電路模塊HDL程序生成

HAD軟件中最主要的功能就是電路模塊HDL程序的生成。生成電路模塊的HDL程序的過程，主要就是對電路單元IP庫中的某些單元進行若干次例化的過程。

進行例化就必須具備兩個條件：首先要有模塊輸入輸出端口的列表，其次要知道的是與這些端口相連接的信號列表。根據兩者的對應關系，完成例化，然后將例化好的電路模塊組合起來，成為一個HDL程序文件，生成電路模塊HDL程序的流程如圖2所示：

通過上面的分析，首先創建兩個數據庫。一個存放各種模塊HDL程序的源文件，另外一個存放與各個模塊相對應的輸入輸出端口的信號列表。

存放HDL程序的源文件的數據庫比較簡單，對它的操作僅限于對文件內容的復制，因此這里不作進一步的討論。

存放端口信號列表的數據庫結構，如表1所示。

表1中，最上面的一行是數據庫的表頭，字段名代表了每一個字段下面內容的具體含義。其中，module為電路單元模塊名；detail為存放模塊端口詳細信息的數據庫名；PortN代表了模塊中某個端口的名字， N是自然數。

從表1中第二行開始的記錄是不同的模塊。例如，第二行記錄所描述的模塊是帶有一個異步清零端的D觸發器，模塊名是DFF，模塊端口的詳細信息存放在DFF_D的數據庫文件中，總共有4個端口，分別是CLK、CLR、D和Q。數據庫文件 DFF_D中存放的是每個端口的方向和寬度。

以DFF模塊為例，其對應的數據庫文件DFF_D 的內容如表2所示：

數據庫文件DFF_D的字段有兩類，前一半的字段都是以“Pn_io”的形式出現，代表了這個端口的流向，是輸入、輸出還是雙向。后一半的字段都是以“Pn_bit”的形式出現，代表了這個端口信號的寬度。

通過上面兩類數據庫，就可以完整地掌握一個模塊的所有接口信息。

在圖1所示的流程圖中，最重要的一步就是 “進行例化、組合”。根據上述幾個數據庫的定義和描述，例化和組合的流程如圖3所示。圖中兩個預備處理（六邊形框）的工作是“例化組合”前的準備工作。根據系統設計規范的要求，確定所需功能模塊的種類和數量，然后由設計者來確定所有模塊及其輸入輸出信號的名字。這些操作都可以通過鍵盤輸入的方式來完成，從而將例化和組合過程中所需的信息傳遞給HAD軟件。

確定好所需的模塊之后，就可以逐一地對每個模塊進行例化。首先打開端口信號列表數據庫，從中找到所選定的模塊。接著，打開存放有模塊端口詳細信息的數據庫，讀取端口的類型和數量，按照指定的連接信號名對模塊進行例化。最后將例化后的HDL程序組合成一個文件。

4、管理電路單元庫程序的設計思路

管理電路單元庫的軟件所具備的功能是對電路單元進行增加、刪除和修改等操作，流程如圖4所示。

圖4中，管理流程主要由3個處理分支組成，分別是增加、刪除和修改電路單元分支。

電路單元的增加功能就是將電路模塊的HDL程序加入到電路單元庫中。庫中增加了一個新的電路單元，意味著又多了一個功能可供我們選擇。隨著庫中電路單元的日益增多，硬件設計中可以用HAD軟件完成的比重就會越來越大，有利于系統設計。

增加電路單元處理分支的流程如圖5所示。增加一個電路單元涉及到兩個數據庫的操作，一個是端口列表數據庫，另外一個是端口詳細信息數據庫。首先，對端口列表數據庫進行新增的操作，增加一條空記錄，將新模塊的I/O名稱填入空記錄中的相應字段里。然后，新建一個端口詳細信息數據庫文件。它的字段個數是新模塊I/O個數的兩倍，一半是用來指定I/O的方向，另一半是用來指定端口信號的寬度。最后，將I/O信號的方向以及寬度填入新建數據庫的相應字段中。處理分支結束之后再返回到管理流程的入口，重新選擇管理的內容。