基于AMBA总线的MCU设计及FPGA验证

摘要

近年来，随着工业水平的发展和人们生活需求的不断提高，IC产业中的微控制器芯片（MCU）也随之得到很大的发展与应用。而如何高效率的进行MCU芯片设计、减少设计生产周期已成为提高MCU厂商核心竞争力的重要因素。IP复用技术是一种减少芯片开发时间、降低开发和流片风险的重要方法。从最早的8位MCU出现以来， MCU技术得到了迅速的发展，之后出现了16位和32位的高性能MCU。而未来MCU市场的主流也将是32位MCU。MCU厂商出于对研发效率的需求，大部分会选择高性价比、容易获取的内核资源。ARM系列内核由于其丰富的生态系统资源已成为32位MCU的主要方向。本文将基于AMBA2.0总线协议及IP复用技术，结合FPGA原型验证来完成一款用于数据加解密的MCU设计及验证。这种结合了在MCU中运行测试例代码进行逻辑验证和FPGA原型验证的方法，大大缩短了设计验证时间，并能非常方便的对设计进行修改，同时又能保证设计质量。
　　本文按照Top-Down的设计原则，首先分析了MCU的通用架构和FPGA原型验证方法，并基于AMBA总线协议进行了MCU架构设计，在设计过程中参考Bus Matrix的思想对架构进行了优化，保证了设计的高速度特性。然后对系统进行了模块划分和功能定义，并完成了子模块的RTL级代码编写和系统集成，在此过程中对各模块进行了低功耗优化。在设计完成之后，通过分析确定了测试方案并设计了测试平台，编写测试例进行定向功能测试。最后对FPGA原型验证方法进行了深入的分析，并使用基于Xilinx的FPGA硬件平台和新一代集成开发环境Vivado来完成FPGA原型验证工作，并在FPGA的综合和实现过程中，对设计关键路径时序进行了修正和优化。
　　设计最终在 FPGA硬件平台上验证通过，AHB总线时钟主频率经过优化可达60MHz，PCIe接口满足125MHz时钟频率要求，数据速率可达33Mb/s。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景

1.3国内外研究现状

1.4论文的主要内容

1.5论文的组织结构

第二章 经典MCU架构及FPGA验证方法分析

2.1经典MCU架构

2.2 FPGA原型验证方法

2.3本章小结

第三章 MCU架构设计及逻辑设计

3.1设计需求分析

3.2 MCU架构设计

3.3逻辑设计及IP集成

3.4本章小结

第四章 功能测试及仿真分析

4.1测试平台设计

4.2测试例仿真

4.3仿真结果分析

第五章 FPGA验证

5.1 FPGA原型验证工具

5.2 FPGA实现的自动化流程

5.3 FPGA验证结果

5.4本章小结

第六章 论文总结与展望

参考文献

致谢

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