基于SPARC V8體系的電子記帳終端設(shè)備研究
[導(dǎo)讀]基于SPARC V8體系的電子記帳終端設(shè)備研究
l 引 言
電子記帳控稅終端機屬于高度安全和可靠的產(chǎn)品，關(guān)系到信息安全和金融安全，長期使用國外的核心器件將給國家安全帶來嚴重隱患。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式處理器、專用芯片及其嵌入式操作系統(tǒng)已成為振興我國電子行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
目前國家正在大力發(fā)展金稅工程，本文作者參與了針對電子記帳控稅終端機設(shè)計的片上系統(tǒng)(System on Chip，SOC)芯片的研究。
2 總體方案
本SoC芯片是面向電子記帳終端設(shè)備而設(shè)計的符合國家電子記帳終端設(shè)備標準的高性能嵌入式的系統(tǒng)芯片，其中以32位的SPARC V8架構(gòu)的處理器為內(nèi)核，集成了符合ISO7816標準的智能卡控制器和符合ISO7811／2標準的磁卡控制器接口等外圍設(shè)備。他的應(yīng)用既降低了電子記帳終端設(shè)備的成本，又大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
2．1 SoC的結(jié)構(gòu)
本SoC芯片內(nèi)部采用可裁減的總線式結(jié)構(gòu)，選用ARM公司的AMBA總線作為SoC內(nèi)部總線，總線上各個模塊采用統(tǒng)一的接口方式和總線連接，從而實現(xiàn)了模塊開發(fā)的標準化，降低了開發(fā)的工作量。本SoC芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(1)32位整型數(shù)處理單元(Integer Unit，IU)支持SPARC V8指令集。IU的主要功能是執(zhí)行整數(shù)運算、計算要訪問的存儲器的地址，另外他也支持指令計數(shù)器和控制指令的執(zhí)行。IU具有以下特點：
①5級單一指令流水；
?、趩为毜闹噶頲ache和數(shù)據(jù)cache；
③標準的8個寄存器窗口；
?、苡布朔?、除法器；
?、輲?0位累加器的16×16位MAC。
(2)浮點運算單元(Floating Point Unit，F(xiàn)PU)提供遵循SPARC V8標準的全部浮點指令，其浮點數(shù)據(jù)的格式和浮點指令遵循ANSI／IEEE 754-1985標準，F(xiàn)PU連接在IU上。FPU有32個32 b的浮點寄存器。芯片使用標準的LD／ST指令在FPU和存儲器之間移動數(shù)據(jù)。存儲器地址由IU計算，浮點操作指令完成浮點算術(shù)運算。
內(nèi)部的AMBA總線包括2種總線：AHB和APB。APB總線用來訪問片內(nèi)外設(shè)的寄存器；AHB總線用作高速數(shù)據(jù)傳輸。AHB總線連接處理器cache 控制器和其他的高速單元，IU是總線上惟一的主控單元。AHB總線從屬單元有：存儲器控制器、AHB／APB轉(zhuǎn)換橋等。AHB／APB轉(zhuǎn)換橋作為一個從屬設(shè)備連接在AHB總線上，是APB總線惟一的主控單元，處理器通過AHB／APB橋訪問大部分片內(nèi)外設(shè)。
(3)SOC的片上外設(shè)，智能卡控制器(Smartcard controller)：符合ISO7816標準：
磁條卡控制(magnetic stripe card Controller)：符合ISO7811／2標準；
通用輸入輸出接口(GPIO)：共80個GPIO端口；
通用異步串口(UART)：一個16550UART和3個普通UART；
中斷控制器(Interrupt Controller)：支持16個一級中斷源，32個二級中斷源；
定時器(Timer)：5個24位的通用目的定時器；
看門狗(Watch Dog)：24位看門狗定時器；
實時時鐘(RTC)：計算秒、分、小時、天、月、年，具有潤月補償功能，計時可至2100年，通過后備電源使實時時鐘工作在低功率模式；
PS／2控制器(PS／2 I／F)：符合PS／2標準，支持第一套和第二套掃描碼集；
I2C控制器(I2C I／F)：兼容Phillips公司的I2C標準；
SPI控制器(SPI I／F)：兼容SPI和Microwire／Plus兩個企業(yè)標準。
2．2 SoC芯片的設(shè)計要點
在SoC的體系架構(gòu)、邏輯設(shè)計和電路設(shè)計中采用正向設(shè)計方法：
建立深亞微米自頂向下設(shè)計流程，實現(xiàn)硬／軟件協(xié)同仿真、設(shè)計、驗證技術(shù)，建立芯片正向設(shè)計平臺；
低功耗設(shè)計技術(shù)，包括對RTC及SRAM的低功耗優(yōu)化設(shè)計；
采用深亞微米(0．18μm)必須解決的設(shè)計問題，包括。EMI，CrOSS talk，天線效應(yīng)和熱電子效應(yīng)等；
采用現(xiàn)代SoC設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)片上外設(shè)包括IC卡、磁卡、I2C、SPI、PS／2等功能接口的高度集成設(shè)計和測試；
高可靠、實時多任務(wù)處理平臺技術(shù)，支持嵌入式操作系統(tǒng)及其任務(wù)調(diào)度管理；
支持ANSIC的標準應(yīng)用，實現(xiàn)底層驅(qū)動軟件的模塊化、標準化設(shè)計。
同時，針對以上技術(shù)挑戰(zhàn)必須實現(xiàn)如下技術(shù)創(chuàng)新：
該項目為自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)嵌32位RISC處理器以及大量功能接口模塊的SoC設(shè)計，突破嵌入式SoC的高度集成、高可靠、低功耗、實時多任務(wù)處理等關(guān)鍵技術(shù)；
建立自頂向下的深亞微米設(shè)計流程，實現(xiàn)硬、軟件協(xié)同設(shè)計、仿真、綜合、驗證技術(shù)；采用大容量FPGA和嵌入式操作系的統(tǒng)功能驗證平臺；應(yīng)用樣機對SoC進行全面驗證，確保了該項目的技術(shù)路線實施及產(chǎn)品的實際應(yīng)用；
支持多任務(wù)實時嵌入式操作系統(tǒng)。
3 功能驗證
在集成電路的設(shè)計過程中，需要進行大量的驗證工作，SoC功能驗證采用專門的開發(fā)軟件把設(shè)計模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的配置文件，下載到硬件平臺的FPGA或CPLD芯片中，在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中來驗證SoC功能的正確性。
在對本SoC進行硬件平臺驗證過程中，采用的FPGA綜合工具是Synplicity公司的Synplify Pro 7．7，F(xiàn)PGA布線工具選用的是Xilinx公司的ISE 5．0，硬件平臺的核心FPGA芯片選用的是Xilinx公司的Virtex II系列的XC2V2000。驗證流程如圖2所示[1-3]。
本SOC芯片內(nèi)部采用AMBA總線，內(nèi)嵌32 b整數(shù)處理單元，優(yōu)化的32／64 b浮點數(shù)處理單元，并且內(nèi)嵌了大量的外設(shè)，主要包括：80位GPIO口、4路UART控制器、5個24 b定時器、看門狗、．PS／2控制器、I2C總線控制器、SPI總線控制器、1個三磁道磁卡控制器，3個智能卡控制器等。為了完整地測試本SoC的所有功能，硬件測試平臺如圖3所示，包含下列基本組成部分：
3．2 FPGA平臺驗證結(jié)果
將由SoC的RTL模型產(chǎn)生的FPGA下載文件(*．bit文件)下載到FPGA中，在Unix環(huán)境下，用SPARC-GCC編譯器編譯測試程序(標準C程序)，然后觀察程序運行結(jié)果，就可以驗證整個SoC系統(tǒng)或某一模塊功能的正
確性。
下面以獲取智能卡復(fù)位應(yīng)答(Answer To Reset，ATR)字節(jié)為例，闡述此過程。
事先知道待測智能卡的ATR字節(jié)為：3b，7a，18，0，0，21，8，11，12，13，14，15，16，17，18。
測試結(jié)果為：
Smartcard controller testing…
ATR over，and ATR characters：
3b，7a，18，0，0，21，8，11，12，13，14，15，16，17，18
以上結(jié)果說明，智能卡控制器可以接收到卡的復(fù)位應(yīng)答字節(jié)，SoC的此功能正確。采用同樣的方法及過程可以驗證其他功能的正確性。
4結(jié) 語
該SoC芯片如今已經(jīng)成功應(yīng)用到了多種電子記帳終端設(shè)備中，為國內(nèi)外的電子記帳終端設(shè)備制造商們提供了一種高性價比的選擇，為"中國芯"家族又增添了一位新成員。所以，可以認為該SoC芯片的設(shè)計還是非常成功的。
設(shè)計中存在的主要問題就是內(nèi)置的RAM空間還不夠大，對于高端的電子記帳終端設(shè)備，必須外擴一定容量的RAM存儲器，希望在下一款同類芯片設(shè)計中加以改進。
電子記帳控稅終端機屬于高度安全和可靠的產(chǎn)品，關(guān)系到信息安全和金融安全，長期使用國外的核心器件將給國家安全帶來嚴重隱患。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式處理器、專用芯片及其嵌入式操作系統(tǒng)已成為振興我國電子行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
目前國家正在大力發(fā)展金稅工程，本文作者參與了針對電子記帳控稅終端機設(shè)計的片上系統(tǒng)(System on Chip，SOC)芯片的研究。
2 總體方案
本SoC芯片是面向電子記帳終端設(shè)備而設(shè)計的符合國家電子記帳終端設(shè)備標準的高性能嵌入式的系統(tǒng)芯片，其中以32位的SPARC V8架構(gòu)的處理器為內(nèi)核，集成了符合ISO7816標準的智能卡控制器和符合ISO7811／2標準的磁卡控制器接口等外圍設(shè)備。他的應(yīng)用既降低了電子記帳終端設(shè)備的成本，又大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
2．1 SoC的結(jié)構(gòu)
本SoC芯片內(nèi)部采用可裁減的總線式結(jié)構(gòu)，選用ARM公司的AMBA總線作為SoC內(nèi)部總線，總線上各個模塊采用統(tǒng)一的接口方式和總線連接，從而實現(xiàn)了模塊開發(fā)的標準化，降低了開發(fā)的工作量。本SoC芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(1)32位整型數(shù)處理單元(Integer Unit，IU)支持SPARC V8指令集。IU的主要功能是執(zhí)行整數(shù)運算、計算要訪問的存儲器的地址，另外他也支持指令計數(shù)器和控制指令的執(zhí)行。IU具有以下特點：
①5級單一指令流水；
?、趩为毜闹噶頲ache和數(shù)據(jù)cache；
③標準的8個寄存器窗口；
?、苡布朔?、除法器；
?、輲?0位累加器的16×16位MAC。
(2)浮點運算單元(Floating Point Unit，F(xiàn)PU)提供遵循SPARC V8標準的全部浮點指令，其浮點數(shù)據(jù)的格式和浮點指令遵循ANSI／IEEE 754-1985標準，F(xiàn)PU連接在IU上。FPU有32個32 b的浮點寄存器。芯片使用標準的LD／ST指令在FPU和存儲器之間移動數(shù)據(jù)。存儲器地址由IU計算，浮點操作指令完成浮點算術(shù)運算。
內(nèi)部的AMBA總線包括2種總線：AHB和APB。APB總線用來訪問片內(nèi)外設(shè)的寄存器；AHB總線用作高速數(shù)據(jù)傳輸。AHB總線連接處理器cache 控制器和其他的高速單元，IU是總線上惟一的主控單元。AHB總線從屬單元有：存儲器控制器、AHB／APB轉(zhuǎn)換橋等。AHB／APB轉(zhuǎn)換橋作為一個從屬設(shè)備連接在AHB總線上，是APB總線惟一的主控單元，處理器通過AHB／APB橋訪問大部分片內(nèi)外設(shè)。
(3)SOC的片上外設(shè)，智能卡控制器(Smartcard controller)：符合ISO7816標準：
磁條卡控制(magnetic stripe card Controller)：符合ISO7811／2標準；
通用輸入輸出接口(GPIO)：共80個GPIO端口；
通用異步串口(UART)：一個16550UART和3個普通UART；
中斷控制器(Interrupt Controller)：支持16個一級中斷源，32個二級中斷源；
定時器(Timer)：5個24位的通用目的定時器；
看門狗(Watch Dog)：24位看門狗定時器；
實時時鐘(RTC)：計算秒、分、小時、天、月、年，具有潤月補償功能，計時可至2100年，通過后備電源使實時時鐘工作在低功率模式；
PS／2控制器(PS／2 I／F)：符合PS／2標準，支持第一套和第二套掃描碼集；
I2C控制器(I2C I／F)：兼容Phillips公司的I2C標準；
SPI控制器(SPI I／F)：兼容SPI和Microwire／Plus兩個企業(yè)標準。
2．2 SoC芯片的設(shè)計要點
在SoC的體系架構(gòu)、邏輯設(shè)計和電路設(shè)計中采用正向設(shè)計方法：
建立深亞微米自頂向下設(shè)計流程，實現(xiàn)硬／軟件協(xié)同仿真、設(shè)計、驗證技術(shù)，建立芯片正向設(shè)計平臺；
低功耗設(shè)計技術(shù)，包括對RTC及SRAM的低功耗優(yōu)化設(shè)計；
采用深亞微米(0．18μm)必須解決的設(shè)計問題，包括。EMI，CrOSS talk，天線效應(yīng)和熱電子效應(yīng)等；
采用現(xiàn)代SoC設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)片上外設(shè)包括IC卡、磁卡、I2C、SPI、PS／2等功能接口的高度集成設(shè)計和測試；
高可靠、實時多任務(wù)處理平臺技術(shù)，支持嵌入式操作系統(tǒng)及其任務(wù)調(diào)度管理；
支持ANSIC的標準應(yīng)用，實現(xiàn)底層驅(qū)動軟件的模塊化、標準化設(shè)計。
同時，針對以上技術(shù)挑戰(zhàn)必須實現(xiàn)如下技術(shù)創(chuàng)新：
該項目為自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)嵌32位RISC處理器以及大量功能接口模塊的SoC設(shè)計，突破嵌入式SoC的高度集成、高可靠、低功耗、實時多任務(wù)處理等關(guān)鍵技術(shù)；
建立自頂向下的深亞微米設(shè)計流程，實現(xiàn)硬、軟件協(xié)同設(shè)計、仿真、綜合、驗證技術(shù)；采用大容量FPGA和嵌入式操作系的統(tǒng)功能驗證平臺；應(yīng)用樣機對SoC進行全面驗證，確保了該項目的技術(shù)路線實施及產(chǎn)品的實際應(yīng)用；
支持多任務(wù)實時嵌入式操作系統(tǒng)。
3 功能驗證
在集成電路的設(shè)計過程中，需要進行大量的驗證工作，SoC功能驗證采用專門的開發(fā)軟件把設(shè)計模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的配置文件，下載到硬件平臺的FPGA或CPLD芯片中，在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中來驗證SoC功能的正確性。
在對本SoC進行硬件平臺驗證過程中，采用的FPGA綜合工具是Synplicity公司的Synplify Pro 7．7，F(xiàn)PGA布線工具選用的是Xilinx公司的ISE 5．0，硬件平臺的核心FPGA芯片選用的是Xilinx公司的Virtex II系列的XC2V2000。驗證流程如圖2所示[1-3]。
本SOC芯片內(nèi)部采用AMBA總線，內(nèi)嵌32 b整數(shù)處理單元，優(yōu)化的32／64 b浮點數(shù)處理單元，并且內(nèi)嵌了大量的外設(shè)，主要包括：80位GPIO口、4路UART控制器、5個24 b定時器、看門狗、．PS／2控制器、I2C總線控制器、SPI總線控制器、1個三磁道磁卡控制器，3個智能卡控制器等。為了完整地測試本SoC的所有功能，硬件測試平臺如圖3所示，包含下列基本組成部分：
3．2 FPGA平臺驗證結(jié)果
將由SoC的RTL模型產(chǎn)生的FPGA下載文件(*．bit文件)下載到FPGA中，在Unix環(huán)境下，用SPARC-GCC編譯器編譯測試程序(標準C程序)，然后觀察程序運行結(jié)果，就可以驗證整個SoC系統(tǒng)或某一模塊功能的正
確性。
下面以獲取智能卡復(fù)位應(yīng)答(Answer To Reset，ATR)字節(jié)為例，闡述此過程。
事先知道待測智能卡的ATR字節(jié)為：3b，7a，18，0，0，21，8，11，12，13，14，15，16，17，18。
測試結(jié)果為：
Smartcard controller testing…
ATR over，and ATR characters：
3b，7a，18，0，0，21，8，11，12，13，14，15，16，17，18
以上結(jié)果說明，智能卡控制器可以接收到卡的復(fù)位應(yīng)答字節(jié)，SoC的此功能正確。采用同樣的方法及過程可以驗證其他功能的正確性。
4結(jié) 語
該SoC芯片如今已經(jīng)成功應(yīng)用到了多種電子記帳終端設(shè)備中，為國內(nèi)外的電子記帳終端設(shè)備制造商們提供了一種高性價比的選擇，為"中國芯"家族又增添了一位新成員。所以，可以認為該SoC芯片的設(shè)計還是非常成功的。
設(shè)計中存在的主要問題就是內(nèi)置的RAM空間還不夠大，對于高端的電子記帳終端設(shè)備，必須外擴一定容量的RAM存儲器，希望在下一款同類芯片設(shè)計中加以改進。
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