【集创赛】基于arm处理器的SOC设计【1】

2021-04-15 11:33:08 浏览数 (1)

【前言】这两年连续参加过两年的“全国大学生集成电路创新创业大赛”（简称“集创赛”），今年的初赛预选结果前几天刚刚公布，果不其然，不出所料，顺利晋级。

我们团队两次选择的赛题均为“基于 Arm 处理器核的SoC 设计”，要求利用利用 Arm Cortex-M3 DesignStart处理器在FPGA平台上构建片上系统（SOC，system on chip）。

报告内容由于大赛方的报告格式要求，省略了许多基础性的知识，许多操作没有详细说明。如果这个系列推文反映良好，计划推出一个系列内容，详细讲解下本次比赛的SOC设计的详细细节和步骤。

报告由 设计概述，基础设计介绍，最简SOC系统搭建，子模块设计，软件设计等部分组成。

下面是报告的正文。

第一部分 设计概述

1.1 设计要求

基于ARM官方提供的开源的M3内核的verilog源代码以及外围设备代码，用来构建简单的SOC系统，并在Arm SoC中实现专门的硬件加速器以提高和优化系统的性能，实现系统对信号的智能处理和分析。

1.2 初期完成目标

我们团队基于ARM Cortex DesignStart m3 内核及其附加代码包，搭建了自定义的SOC系统，并利用BNN（二值神经网络）智能算法，实现了图像的识别和分类的功能。

其次，搭建可以运行智能算法的硬件平台。包括图像数据的获取，存储，显示，预处理等等。以及SOC基础平台的搭建。

然后，将智能算法移植到硬件平台上。通过合理划分软硬件工作。将计算量密集的任务放置到硬件一侧，实现硬件加速。将流程控制类的任务放置到软件一侧，达到软硬件结合的目的。充分利用了异构计算的优势。

1.3 作品特点和优势

  1. 基于软硬件结合的设计方法，充分利用硬件的并行加速特性和软件的灵活控制特性，使得设计具有极大的灵活性和极快的运行速度。
  2. BNN（二值神经网络）是在CNN的基础上，对权值和激活值（特征值）做二值化处理，即取值是 1或-1。相比于CNN（卷积神经网络），其使用资源和占用的计算量极大减少。具有 1.加速训练 2.减小权重的值的尺度的影响 3.内存非常小 4.乘法优化等优点。
  3. 在本设计中，还充分利用EDA工具提供的优势，对SOC系统的搭建做了极大优化。采用块图模块和总线 的设计方法，只需要使用拖动和鼠标连线的方式，即可搭建出SOC系统，加快了SOC系统的搭建，极大方便了开发工作，减轻开发人员的工作。

1.4 系统架构图

整个 SoC 基于 CMSDK 开发，从比赛官方提供的模板处修改，添加自定义的功能模块。系统架构图如下：

系统架构

1.5 作品特点

软硬件结合 简化SOC搭建 硬件加速

第二部分 基础设计介绍

1，ARM Cortex DesignStart介绍

ARM Cortex DesignStart 是arm 的一个开放计划，通过免费提供Coretex-M0,Coretex-M3处理器以及相关子系统，使得开发者可以以非常低的成本，更快速地实现定制化的SOC。

2，获得Cortex-M3 DesignStart Eval

Arm Cortex-M3 DesignStart Eval可以在Arm Developer网站上获得。

找到Cortex-M3 DesignStart Eval页面链接按钮并点击，注册账户或使用已经注册的账户登录，点击下载链接，将下载得到压缩包解压缩，可以得到我们需要的Cortex-M3 DesignStart Eval。

Cortex-M3 DesignStart

该开发包内包含有 经过混淆的arm-M3 CPU 内核的Verilog源码，常用的一些AHB，APB接口的外设模块，以及基于FPGA的示例工程设计等等。Cortex-M3DesignStartEval包含Cortex-M3CPU、AHB总线矩阵、存储器控制器及其他外设。

示例工程设计

3，AHB-lite总线

AMBA AHB-Lite是面向高性能的可综合设计，提供了一个总线接口来支持Master并提供高操作带宽。

下图是一个具有一个Master的AHB-Lite的系统，包括一个Master和三个Slave。利用内部逻辑生成了一个地址解码器和一个Slave-to-Master多路转换器。

1，AHB-Lite Master

AHB-Lite Master提供地址和控制信息来标识读写操作。下图显示了一个AHB-Lite Master接口。

2，AHB-Lite Slave

AHB-Lite Slave响应系统中由Master发起的传输。Slave使用从解码器引出的选择信号HSELx来控制对总线传输的响应。Slave信号返回Master的信号包括：

  • 成功
  • 失败
  • 等待数据传输

3， 解码器

该部件对地址进行解码，用来提供一个选择信号标识那个Slave进行传输，该部件也提供控制信号进行多路复用控制。

4， 多路转换器

Slave-to-Master多路转换器是Slave到Master的读数据总线和响应控制信号转换的必要部件。解码器提供控制多路转换器的控制信号。

5，传输

AHB-Lite传输包含两个相位：

  • Address 保持一个HCLK周期，除非被前一个总线传输进行了扩展
  • Data 或许需要若干HCLK周期。使用HREADY s信号来控制完成传输所需要的时钟周期

HWRITE 用于控制数据传输的方向：

  • HWRITE为高时，表示是一个写传输，Master向写数据总线HWDATA[31:0]发送数据。
  • HWRITE为低时，表示是一个读传输，Slave必须向读数据总线HRDATA[31:0]发送数据。

最简单的传输包含一个地址周期和一个数据周期。如下图所示：

  1. 在HCLK上升沿后，Master驱动地址和控制信号到总线上；
  2. Slave在下一个HCLK上升沿采样到了地址和控制信息；
  3. 当Slave采样到了地址和控制后，便可以开始驱动HREADY做出响应，Master将在HCLK第三个上升沿采样到该响应。

有等待的传输如下图所示：

有等待读传输：

有等待写传输：

等主机发出地址信号后，从机如果来不及接收主机发出的数据，先将HREADY信号置低，直到从机接收完成主机的写数据后，将HREADY信号拉高，通知主机本次传输完成，可以进行下一次传输。

4，APB总线

APB 属于AMBA3协议系列，提供了一个低功耗的接口，并降低了接口的复杂性。Apb接口用在低带宽和不需要高性能总线的外围设备上。Apb总线是非流水线结构，每个传输最少消耗两个时钟。同AHB-lite总线一样，apb总线传输时也有无等待和等待两种方式。下图为无等待传输时序图：

在无等待传输中：

  1. T1周期：写传输开始于地址。设置PADDR，写数据PWDATA，写信号PWEITE和选择信号PSEL。
  2. T2周期：设置写使能信号PENABLE，和写准备信号PREADY。
  3. T3周期：PCLK上升沿寄存检测到写准备信号PREADY，检测到为高后，表示传输完成。
  4. 结束：在传输结束后，使能信号PEABLE和选择信号PSEL信号无效，直到下一次传输开始。 下图为有等待传输时序图：

在有等待传输中：

  1. T1周期：写传输开始于地址。设置PADDR，写数据PWDATA，写信号PWEITE和选择信号PSEL。
  2. T2周期：设置写使能信号PENABLE，和写准备信号PREADY。如果从设备还没有准备好，将写准备信号PREADY置低。
  3. T3周期：PCLK上升沿寄存检测到写准备信号PREADY，检测到为低后，传输等待。
  4. 延迟：PCLK上升沿寄存检测到写准备信号PREADY，检测到为高后，表示传输完成。
  5. 结束：在传输结束后，使能信号PEABLE和选择信号PSEL信号无效，直到下一次传输开始。

5，使用平台

在此次设计的标牌识别系统中，我们采用了“ARM”杯官方，为我们提供的 Intel - 5CEFA5 板卡进行相关的设计，构建了以板卡为基础的 Soc 系统。统采用的是 正点原子出品的 OV5640 进行图像的采集。

arm 系统架构

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