基于AXI总线协议的SPI控制器设计与验证

摘要

随着电子设计技术日新月异的发展，近年来，系统级芯片（System-on-a-Chip。SoC）设计技术已经在集成电路发展的各个领域里得到广泛应用。工程师都希望自己的设计可以和更多的电子设备进行通信，因此，如今很多芯片都支持传统串行外设接口（Serial Peripheral Interface。SPI）、通用串行总线（Universal Serial Bus。USB）等等其他电子设备接口。其中，SPI协议因其电路结构简单、通信可靠等诸多优点，在低速外部设备中得到广泛应用。
　　本文通过研究 Motorola公司的SPI协议以及 ARM公司的高级可扩展接口（Advanced eXtensible Interface。AXI）协议，设计了一种支持AXI总线传输的SPI控制器模块，该设计实现了支持多请求功能和支持乱序访问功能。论文重点介绍了该 SPI控制器模块的设计原理和验证方法。首先，论文依据 SPI协议基本原理给出了该 SPI控制器模块的整体架构设计，并根据 AXI协议端口特点对 SPI控制器模块接口信号进行扩展，增加与AXI总线通信的接口，使得SPI控制器可以与 AXI总线之间进行通信，能够更广泛地应用于不同的SoC系统中。该 SPI控制器模块由控制寄存器、扩展寄存器、数据寄存器、状态寄存器、SPI控制模块、读写模块、标识（Identification。ID）控制模块和移位寄存器等子模块构成。该SPI控制器模块支持读请求、读请求应答、写请求、写请求应答四种传输模式。其次，在完成SPI控制器模块寄存器传输级（Register Transfer Level。RTL）设计基础上，验证了若干待测功能点。基于验证方法学手册（Verification Methodology Manual。VMM）验证方法，利用 SystemVerilog语言为该SPI控制器模块设计搭建层次化的随机验证环境，对该论文设计的SPI控制器模块进行充分验证。再次，利用Synopsys公司的Verilog模拟器编译（Verilog Compile Simulator。VCS）仿真工具对设计进行代码覆盖率统计、分析代码覆盖率并针对代码覆盖率报告结果适当添加限制条件提高代码覆盖率。对 SPI控制器代码添加功能覆盖率组统计功能覆盖率。最后，对 SPI控制器模块进行 RTL代码综合，评估设计面积、时序、功耗。
　　验证结果表明：本文设计的SPI控制器完全兼容 SPI协议，在功能上达到了预期目标，可以灵活地应用到基于 AXI总线协议的典型 SoC系统中，可与多种具有 SPI接口的电子设备进行通信。此外，采用基于 VMM方法学搭建参数可配置的随机验证环境有效提高了设计的验证效率。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 论文研究背景和意义

1.2 论文主要工作

1.3 论文结构安排

第2章 技术背景

2.1 SoC技术发展及现状

2.2 SoC设计简单流程

2.3 IP核定义及分类

2.4 IP核复用技术

2.5 本章小结

第3章 片上总线介绍

3.1 AXI协议介绍

3.2 SPI协议介绍

3.3 本章小结

第4章 基于AXI总线协议的SPI控制器设计

4.1 SPI模块位置

4.2 SPI控制器模块整体架构

4.3 SPI控制器接口信号描述

4.4 SPI控制器寄存器描述

4.5 SPI控制器关键模块

4.6 SPI控制器设计时序

4.7 本章小结

第5章 SPI模块验证综合

5.1 验证计划

5.2 验证方法

5.3 覆盖率的类型

5.4 SPI模块仿真验证

5.5 SPI控制器逻辑综合

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B SPI控制器关键代码

附录 C SPI控制器综合报告

附录 D SPI控制器在一款芯片上的应用