介紹了FreeARM7 IP核的基本概況及其接口特點，以LPC2101為原型對該IP核進行了擴展。結(jié)合USB 1.1設備控制器IP核和自定制硬件邏輯，構(gòu)建了一種微控制器功能驗證回路。在主機端開發(fā)了驗證程序、驅(qū)動和通信軟件。驗證程序下栽執(zhí)行結(jié)果表明，功能驗證回路工作正常，微處理器運行穩(wěn)定。

　　1 FreeARM7 IP核簡介

　　FreeARM微處理器的ARM7系列(簡稱FreeARM7)首發(fā)于www.socvista.com，由Free-arm聯(lián)合其他ARM愛好者基于ARMv4架構(gòu)開發(fā)而成。整個IP核代碼采用可綜合的Verilog HDL描述，接口簡單，描述精煉，全部代碼不超過2000行。在整體設計上，采用了三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，全面兼容各種中斷和操作指令(除Thumb和協(xié)處理器指令)。經(jīng)過評估可知，該IP核基于FPGA和SMIC工藝庫都有很好的實現(xiàn)結(jié)果。

　　FreeARM7接口定義如表1所列，概括起來可分為4類：

　　◆系統(tǒng)接口，提供系統(tǒng)控制信號;

　　◆中斷源，提供ARM架構(gòu)需要的5個中斷信號;

　　◆ROM接口，與提供指令的ROM之間的接口;

　　◆單口RAM接口，與單口RAM和外設之間數(shù)據(jù)交互的接口。

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　　其中，單口RAM接口可以實現(xiàn)兩類用途：一、掛接單口RAM，使得FreeARM7能夠正確地讀寫數(shù)據(jù);二、掛接外設，使得FteeARM7能夠正確操作外設。

　　2 微處理器改進與邏輯擴展

　　基于FreeARM7的微處理器改進與邏輯擴展的結(jié)構(gòu)如圖1所示。預期的實現(xiàn)目標是：在主機上編寫嵌入式程序匯編成機器碼后，經(jīng)過USB 1.1設備控制器傳輸至雙端口RAM中，在微處理器代碼下載模式下，代碼下載控制邏輯將雙端口RAM中的機器代碼裝載至ROM中，之后啟動微處理器正常工作模式，微處理器執(zhí)行ROM中的嵌入式代碼，接收主機通過USB傳送來的參數(shù)值，并將運行結(jié)果通過USB返回至主機。

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　　基于Cyclone II FPGA具體實現(xiàn)時，ROM、RAM和雙端口RAM都是利用Quartus II軟件中MegaWizardPlug-In.Manager工具例化相應的存儲模塊，而其他硬件邏輯的擴展都是以IP核(Verilog描述)的形式出現(xiàn)。

　　2.1 微處理器lP核改進

　　FreeARM7 IP核是微處理器的核心部分，不能直接作為微處理器使用，其原因是數(shù)據(jù)總線需要讀取ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)、本文選擇Philips公司32位ARM7微處理器LPC2101作為原型設計。LPC2101帶有適當?shù)拇鎯Y源，內(nèi)嵌2 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和8 KB的Flash存儲器，且軟件可移植性好，工作可靠。參考LPC2101工作原理，當FreeARM7的輸出信號ram_addr的最高4位為4'b0時，表示數(shù)據(jù)總線需要讀取ROM的數(shù)據(jù)。為解決該問題，新增一個wrap文件lpc2101_arm.v完成該功能。它的作用是：當ram_addr[31：28]==4'b0時，該邏輯直接從rom_en、rom_addr、rom_data的接口中讀取ROM數(shù)據(jù)，送入ram rdata。

　　2.2 USB1.1設備控制器

　　本文選用的USB設備控制器是課題組早期項目之一，它是由Opencores網(wǎng)站提供的初級開源版本改進而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。IP核支持低速和全速模式，共有1個控制傳輸端點(EP0)、7個其他可配置端點，且缺少微處理器也能響應主機對設備的枚舉。收發(fā)器電路主要完成模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換，即在OUT事物中將模擬信號D+和D-轉(zhuǎn)換成串行接口引擎模塊可識別的數(shù)字信號rxd、rxdp和rxdn，在IN事物中將數(shù)字信號txdp和txdn在使能信號txoe的控制下轉(zhuǎn)換成模擬信號D+和D-;串行接口引擎模塊主要完成收發(fā)包，根據(jù)傳輸方向可分為接收和發(fā)送，主要包括總線檢測、同步檢測、時鐘恢復、不歸零反向編碼和解碼、位填充及位去除、數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換;協(xié)議層包括協(xié)議引擎態(tài)機、組包、解包、FIFO控制器;端點O控制器主要負責響應主機標準請求;描述符RAM存儲了設備的各種描述符;其他端點控制器及FIFO提供了配置接口，目的是預留給開發(fā)者進行IP核移植。

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　　2.3 代碼下載控制邏輯

　　該邏輯主要功能是在代碼下載模式下，將雙端口RAM中的匯編程序轉(zhuǎn)移到ROM中，其主要任務是產(chǎn)生讀雙端口RAM使能信號和地址信號，以及寫ROM的使能信號和地址信號。在硬件邏輯中通過計數(shù)器實現(xiàn)。當系統(tǒng)復位或退出代碼下載模式時，計數(shù)器：rom_wr_cnt清零，否則當USB接收完一個包(64字節(jié))后，置計數(shù)器使能信號cnt_vld有效，rom_wr_cnt開始計數(shù)。cnt_vld直接作為讀雙端口RAM的使能信號，cnt_vld兩級緩存后作為寫ROM的使能信號。同時，rom_wr_cnt的低8位直接作為讀雙端口RAM的地址信號，rom_wr_cnt計算結(jié)果經(jīng)過兩級緩存后作為寫ROM的地址信號。當64字節(jié)轉(zhuǎn)移完畢后，置cnt_vld無效，此時rom_wr_cnt鎖存當前值，等待下一個包接收完畢后再次置cnt_vld有效，代碼下載控制邏輯就將下一個包的數(shù)據(jù)追加到ROM中，反復進行就完成了代碼經(jīng)由USB接口下載至ROM中。