高速实时控制SoC的设计与研究

　　1、 引言

　　SoC技术是目前微电子领域研究的一个热点，以超深亚微米工艺和IP核复用为基础，一般由以下几部分组成：微处理器、存储器和逻辑部分。在使用SoC技术的应用系统中可以很方便的实现嵌入式结构，当要实现嵌入式结构时，只需根据系统需要选择相应的内核，在选择合适的IP模块即可，嵌入式结构可以极大的缩短系统设计的时间。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器是一种可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器，且对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度[1]。

　　在实时控制实现方面研究的匮乏，使控制和电子设计方面的技术脱节，从而不得不用DSP 和通用微处理器来执行控制算法，尽管在许多情况下巨大的计算量会限制采样率的提高，既而使得工程师们手工写的程序更像汇编语言。我们研究的焦点是数值方面的问题，它是由于操作转换时的高采样率引起的。

　　现代控制系统的功能不仅仅只执行控制命令这么简单，还要能进行信号处理、有标准的通信通道和更高级的控制技术等等。因此，布置设计电路物理空间的不断减少使之嵌入在单个芯片上成为可能。结果，随着新的控制方法的需要出现了全新的SoC技术。

　　本文研究的是用于实时控制系统的SoC技术，它代表了硬件控制协同设计、完全优化和代码自动生成器的最新技术，该技术是基于新一代FPGA的嵌入式设计，包括控制技术这样的新概念和用标准总线进行通信的专用IP核。

　　2、SoC的设计和结构

　　设计一个全新的SoC没有现成的标准规则可遵循，SoC仅是将系统功能嵌入在单个芯片之中。目前ASIC和FPGA能达到的门密度为设计人员提供了足够的逻辑门/管子，从而能够在单个芯片上执行各种不同的功能，这可能是一种新设计技术，尤其对于那些空间和性能同样重要的嵌入式系统而言，但对于排除/修改/升级来说，它也可能是一种不可复用的、复杂的方法。为了尽量避免这些问题，在设计电路时必须遵循一种工业标准，该标准将使维护和升级变得更容易[2`3]。

　　对多数高性能嵌入式实时控制系统来说，本文研究的是一种单芯片技术。为了使外围逻辑部件减少到最低限度，所有的数子电子器件都要集成在单个FPGA上。图1为SoC的结构图。

　　图1 SoC的结构图

　　该结构有一定的可伸缩性，将来可加入其他IP核。主要分为两部分，其中核心部分是控制部件，即控制单元和系统控制处理器，也是整个系统的核心，用来执行命令和管理所有的控制部件。该结构由在微控制器间通信的高级微控制器总线和控制系统组成。两个处理器同时运行使控制进程分为以下两部分：控制执行部分和自适应管理部分。控制执行部分将所有需要转换和采样传感器输入的任务集中起来，执行控制命令，并将计算结果返回系统，这些任务由CSP高速完成。该结构由逐次逼近转换器单元(SAC)和脉冲宽度调节器构成，通过让ADC尽可能的使用简单的运算放大器来减少所需的外围硬件，为DAC提供足够的滤波器。