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摘要：SoC是当前微电子芯片发展的趋势，然而由于受带开发环境的PC终端、额外硬件接口、连接线等条件的约束，很难支持SoC产品的二次开发。本文提出一种SoC无线程序加载系统设计方案，通过无线控制实现不同程序的加载，不需要添加额外的接口与复杂的模块，不需要连接下载线和IDE开发环境等工具，简化了芯片的二次开发，增加了芯片的利用率、，并且在FPGA板上测试通过。
关键词：二次开发；无线程序加载：开发环境；芯片利用率
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.012
引言
随着SoC技术的不断发展，其产品在市场上的占用比例也越来越大。对于SoC的开发流程，它需要有一套相应的IDE开发工具，包括装有配套开发环境的PC、硬件接口和连接线。开发完成后应用于嵌入式领域，但是由于受带开发环境的PC终端、电路板、连接线等条件的约束，一般很难支持二次开发。
为了解决上述技术问题，本文提出一种能方便实现二次开发、芯片利用率高的基于SoC的无线智能程序加载方法。使用带蓝牙功能的终端发送不同的命令即可选择flash程序区中不同的程序加载到内存模块，通过无线控制实现不同程序的加载，不需要添加额外的接口与复杂的模块，不需要连接下载线和IDE开发环境等工具，并提供一种无线智能程序加载SoC系统。经过在FPGA开发板上测试，该方法能很好地应用在智能终端领域中，例如智能玩具小车，主控采用本发明的SoC芯片，就能设定小车的三种工作场景
遥控控制小车、小车自动避障和小车循迹，通过带蓝牙的终端向主控发送相应的命令就能改变小车的工作模式，增加小车的功能。
1 系统总体结构
本文中的无线智能程序加载SoC系统包括时钟模块、处理器模块、只读存储器ROM模块、Wishbone总线仲裁模块、SPI控制器模块、内存DDR2模块和通用异步收发传输器UART模块。所有模块均通过Wishbone总线连接到处理器。总线仲裁采用轮循机制实现主设备与从设备之间的访问。本系统改变了传统的把一个程序存储在flash中，当烧录下一个程序时就会覆盖上一个程序的做法，而是把flash划分成三个程序区，烧录flash时，把不同的程序放在不同的程序区。当从SPl flash启动时，程序指针首先指向只读存储器ROM里的bootload区，以完成程序从flash拷贝到内存，再从内存开始执行指令。本系统在此基础上增加了bootload的功能，不仅能完成程序的拷贝，还能监测串口，根据收到的命令选择一个程序区的程序拷贝到内存，使得芯片封装好之后，无需接线，无需相应的IDE软件来加载程序，通过手机或带有蓝牙模块的终端就可以加载不同的程序，简化芯片的二次开发，在智能终端领域能有很好的应用。总体框架图如图1所示。
2 硬件系统设计
2.1硬件顶层结构设计
系统硬件顶层采用硬件描述语言Verilog HDL设计，以总线作为分割介质来看整个系统，包括一个主设备和四个从设备。其中主设备为处理器OR1200，从设备为只读存储器模块、內存模块、串行外设接口模块和通用异步手法传输器模块。如图2所示。
2.2 总线仲裁设计
总线仲裁设计主要包含两组仲裁，一组为处理器中的指令总线IBUS，通过高位地址判断从只读存储器ROM取指令还是从内存模块DDR2中取指令；另一组为处理器中的数据总线，通过高八位地址判断访问哪个外设，具体访问哪个寄存器通过低位判断。其中主设备采用轮询的机制抢占总线，核心设计思想为：统计主设备的个数n，然后定义n位的变量token={00_01}，通过一定周期把1向左循环取到每个主设备，而实现仲裁的轮循机制。
2.3 flash存储器程序区划分结构设计
如图3所示，flash存储器地址从Oxl00000到Oxlc0000是bit文件放置区1，Oxlc0001到Oxlf0000是程序区1 2，地址从Oxlf0001到Ox220000是程序区II3，地址从Ox220001到Ox250000是程序区111 4，地址从Ox250001到Ox300000是扩展区5。SoC系统bit文件利用Xilinx ISE中的impact工具烧录进去，其他程序区的程序通过硬件描述语言中的readmemh命令写入。
3 软件设计
系统在上电启动的时候，程序指针PC指向只读存储器ROM中Bootload区的一段代码，这段代码一般完成程序从flash存储器拷贝到内存，再将程序指针跳转去内存一条一条执行的功能。本文中的软件设计在此基础上增加了改进，如图4所示。首先优化串行外设接口SPI和通用异步收发传输器UART，并实时监测终端发过来的命令：若监测到命令，校验接收到的命令是否为有效命令，若为有效命令则根据接收到的命令选择flash存储器相应程序区的有效地址，否则通过通用异步收发传输器UART和蓝牙模块向终端发送“错误”提示，继续等待命令。得到有效的地址后，初始化串行外设接口SPI，产生串行外设接口SPI时序和发送读命令，根据flash程序区的有效地址拷贝程序到内存模块DDR2中，直到程序大小等于程序大小变量sizeword的值，最后执行跳转命令，将处理器指向内存模块DDR2的起始位置，实现系统的自启动。程序流程图如图4所示。
4 仿真与下板测试
OR1200处理器是OpenRisc家族中的一员，在软件编译的时候我们需要安装OpenRisc交叉编译工具链：采用Xilinx的Virtex-5开发板，同时需要安装ISE等EDA工具。
编译工具链把前面设计的加载启动代码（bootloader）从汇编语言编译成硬件描述语言，并实例化到SoC系统顶层中。然后进行flash存储器的分区并烧录程序，本文通过readmemh命令向程序区1、程序区11和程序区III依次烧录hellowa.c、hellowb.c和hellowc.c。这几个测试程序会通过串口分别打印出“Hello word A”、 “Hell。word B”和“Hello word C”。这样我们就可以很直观地判断系统在执行哪个程序。 将板子上电，并利用Xilinx ISE中的impact工具将编译好的SoC系统bit文件烧录至flash存储器Oxl00000到Oxlc0000区域，当编译综合通过，下板成功后，我们就可以抓取波形和串口打印判断结果。其波形图和串口打印如图5和图6所示。从波形图中我们可以看出串口控制器输出14个字符，正好是“Hell。World A/B/C”，放大波形我们可以看到第一个数据为Ox48，正好是字符“H”的ASCLL码。而从窗口上打印的输出更为明显。给串口发送命令“0”，选择flash程序区1hellowa.c，从Oxl00000开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Hello word A！”。给串口发送命令“1”，选择flash程序区Ⅱhellowb.c，从Ox130001开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Hell。word B！”。给串口发送命令“2”，选择flash程序区Ⅱhellowc.c，从Ox160001开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Helloword C！”。
5 结论
本发明基于SoC的无线智能程序加载方法中，首先将flash存储器划分成若干个程序区，并通过加载指令把不同的程序分别加载到不同的程序区，然后运行加载启动代码，初始化串行外设接口并监测串口接收到的命令，从flash存储器中选择相应程序区，实现程序到内存模块的拷贝，最后执行跳转命令，将处理器指向内存模块的起始位置，实现系统的自启动：整个加载过程简单，不需要接线和留出程序加载接口，也不需要相应的IDE软件来加载程序，通过手机或带有蓝牙模块的终端就可以加载不同的程序，适用范围广。
参考文献：
[1]唐明华，黄诚，刘新，等一种基于SoC的无线智能程序加载方法及系统国家发明专利专利申請号：20160139229.2中国2015
[2]苏纪娟，孟祥玲，朱庆明系统芯片技术国内外发展现状[J]军民两用技术与产品2015（13）
[3]王龙兴集成电路的过去、现在和将来（一）世界集成电路的发展历史[J]集成电路应用2014（01）
[4]李争，李范呜，陈捷，等基于Wishbone SoC总线接口的高性能SDRAM控制器[J]科学技术与工程2008（12）
[5]郑文静，李明强，舒继武Flash存储技术[J]计算机研究与发展2010（04）
[6]陈光武，范多旺，于超，等基于Wishbone片上总线的IP核的互联[J]微计算机信息2009（20）
关键词：二次开发；无线程序加载：开发环境；芯片利用率
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.012
引言
随着SoC技术的不断发展，其产品在市场上的占用比例也越来越大。对于SoC的开发流程，它需要有一套相应的IDE开发工具，包括装有配套开发环境的PC、硬件接口和连接线。开发完成后应用于嵌入式领域，但是由于受带开发环境的PC终端、电路板、连接线等条件的约束，一般很难支持二次开发。
为了解决上述技术问题，本文提出一种能方便实现二次开发、芯片利用率高的基于SoC的无线智能程序加载方法。使用带蓝牙功能的终端发送不同的命令即可选择flash程序区中不同的程序加载到内存模块，通过无线控制实现不同程序的加载，不需要添加额外的接口与复杂的模块，不需要连接下载线和IDE开发环境等工具，并提供一种无线智能程序加载SoC系统。经过在FPGA开发板上测试，该方法能很好地应用在智能终端领域中，例如智能玩具小车，主控采用本发明的SoC芯片，就能设定小车的三种工作场景
遥控控制小车、小车自动避障和小车循迹，通过带蓝牙的终端向主控发送相应的命令就能改变小车的工作模式，增加小车的功能。
1 系统总体结构
本文中的无线智能程序加载SoC系统包括时钟模块、处理器模块、只读存储器ROM模块、Wishbone总线仲裁模块、SPI控制器模块、内存DDR2模块和通用异步收发传输器UART模块。所有模块均通过Wishbone总线连接到处理器。总线仲裁采用轮循机制实现主设备与从设备之间的访问。本系统改变了传统的把一个程序存储在flash中，当烧录下一个程序时就会覆盖上一个程序的做法，而是把flash划分成三个程序区，烧录flash时，把不同的程序放在不同的程序区。当从SPl flash启动时，程序指针首先指向只读存储器ROM里的bootload区，以完成程序从flash拷贝到内存，再从内存开始执行指令。本系统在此基础上增加了bootload的功能，不仅能完成程序的拷贝，还能监测串口，根据收到的命令选择一个程序区的程序拷贝到内存，使得芯片封装好之后，无需接线，无需相应的IDE软件来加载程序，通过手机或带有蓝牙模块的终端就可以加载不同的程序，简化芯片的二次开发，在智能终端领域能有很好的应用。总体框架图如图1所示。
2 硬件系统设计
2.1硬件顶层结构设计
系统硬件顶层采用硬件描述语言Verilog HDL设计，以总线作为分割介质来看整个系统，包括一个主设备和四个从设备。其中主设备为处理器OR1200，从设备为只读存储器模块、內存模块、串行外设接口模块和通用异步手法传输器模块。如图2所示。
2.2 总线仲裁设计
总线仲裁设计主要包含两组仲裁，一组为处理器中的指令总线IBUS，通过高位地址判断从只读存储器ROM取指令还是从内存模块DDR2中取指令；另一组为处理器中的数据总线，通过高八位地址判断访问哪个外设，具体访问哪个寄存器通过低位判断。其中主设备采用轮询的机制抢占总线，核心设计思想为：统计主设备的个数n，然后定义n位的变量token={00_01}，通过一定周期把1向左循环取到每个主设备，而实现仲裁的轮循机制。
2.3 flash存储器程序区划分结构设计
如图3所示，flash存储器地址从Oxl00000到Oxlc0000是bit文件放置区1，Oxlc0001到Oxlf0000是程序区1 2，地址从Oxlf0001到Ox220000是程序区II3，地址从Ox220001到Ox250000是程序区111 4，地址从Ox250001到Ox300000是扩展区5。SoC系统bit文件利用Xilinx ISE中的impact工具烧录进去，其他程序区的程序通过硬件描述语言中的readmemh命令写入。
3 软件设计
系统在上电启动的时候，程序指针PC指向只读存储器ROM中Bootload区的一段代码，这段代码一般完成程序从flash存储器拷贝到内存，再将程序指针跳转去内存一条一条执行的功能。本文中的软件设计在此基础上增加了改进，如图4所示。首先优化串行外设接口SPI和通用异步收发传输器UART，并实时监测终端发过来的命令：若监测到命令，校验接收到的命令是否为有效命令，若为有效命令则根据接收到的命令选择flash存储器相应程序区的有效地址，否则通过通用异步收发传输器UART和蓝牙模块向终端发送“错误”提示，继续等待命令。得到有效的地址后，初始化串行外设接口SPI，产生串行外设接口SPI时序和发送读命令，根据flash程序区的有效地址拷贝程序到内存模块DDR2中，直到程序大小等于程序大小变量sizeword的值，最后执行跳转命令，将处理器指向内存模块DDR2的起始位置，实现系统的自启动。程序流程图如图4所示。
4 仿真与下板测试
OR1200处理器是OpenRisc家族中的一员，在软件编译的时候我们需要安装OpenRisc交叉编译工具链：采用Xilinx的Virtex-5开发板，同时需要安装ISE等EDA工具。
编译工具链把前面设计的加载启动代码（bootloader）从汇编语言编译成硬件描述语言，并实例化到SoC系统顶层中。然后进行flash存储器的分区并烧录程序，本文通过readmemh命令向程序区1、程序区11和程序区III依次烧录hellowa.c、hellowb.c和hellowc.c。这几个测试程序会通过串口分别打印出“Hello word A”、 “Hell。word B”和“Hello word C”。这样我们就可以很直观地判断系统在执行哪个程序。 将板子上电，并利用Xilinx ISE中的impact工具将编译好的SoC系统bit文件烧录至flash存储器Oxl00000到Oxlc0000区域，当编译综合通过，下板成功后，我们就可以抓取波形和串口打印判断结果。其波形图和串口打印如图5和图6所示。从波形图中我们可以看出串口控制器输出14个字符，正好是“Hell。World A/B/C”，放大波形我们可以看到第一个数据为Ox48，正好是字符“H”的ASCLL码。而从窗口上打印的输出更为明显。给串口发送命令“0”，选择flash程序区1hellowa.c，从Oxl00000开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Hello word A！”。给串口发送命令“1”，选择flash程序区Ⅱhellowb.c，从Ox130001开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Hell。word B！”。给串口发送命令“2”，选择flash程序区Ⅱhellowc.c，从Ox160001开始拷贝程序，仿真测试结果输出“Helloword C！”。
5 结论
本发明基于SoC的无线智能程序加载方法中，首先将flash存储器划分成若干个程序区，并通过加载指令把不同的程序分别加载到不同的程序区，然后运行加载启动代码，初始化串行外设接口并监测串口接收到的命令，从flash存储器中选择相应程序区，实现程序到内存模块的拷贝，最后执行跳转命令，将处理器指向内存模块的起始位置，实现系统的自启动：整个加载过程简单，不需要接线和留出程序加载接口，也不需要相应的IDE软件来加载程序，通过手机或带有蓝牙模块的终端就可以加载不同的程序，适用范围广。
参考文献：
[1]唐明华，黄诚，刘新，等一种基于SoC的无线智能程序加载方法及系统国家发明专利专利申請号：20160139229.2中国2015
[2]苏纪娟，孟祥玲，朱庆明系统芯片技术国内外发展现状[J]军民两用技术与产品2015（13）
[3]王龙兴集成电路的过去、现在和将来（一）世界集成电路的发展历史[J]集成电路应用2014（01）
[4]李争，李范呜，陈捷，等基于Wishbone SoC总线接口的高性能SDRAM控制器[J]科学技术与工程2008（12）
[5]郑文静，李明强，舒继武Flash存储技术[J]计算机研究与发展2010（04）
[6]陈光武，范多旺，于超，等基于Wishbone片上总线的IP核的互联[J]微计算机信息2009（20）