电子技术应用2010 高性能主从模式动态可重构的SPI IP核设计

小编 2024-11-23 论坛 23 0

高性能主从模式动态可重构的SPI IP核设计

摘 要: 为满足系统芯片(SoC)中的串行外设接口(SPI)灵活配置的要求,设计了一种既可作为主机又可作为从机、支持4种数据传输模式、允许7种时钟传输速率的SPIIP核。该SPI IP核通过状态机来控制数据传输模块端口的方向,以此来解决主从模式下数据传输方向相反的问题,通过对移位寄存器的复用减少了逻辑资源消耗,利用时钟分频模块来实现不同传输速率下的数据交换,设计了配置数据传输模式的时钟极性和时钟相位等端口,方便了对SPI IP核的操作。结果表明:该SPI IP核符合SPI总线协议,在0.13 μm工艺下消耗1 062个逻辑门,在系统工作频率80 MHz下的功耗约为0.395 7 mW。

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10.16157/j.issn.0258-7998.172838

中文引用格式: 魏朋博,张存德,黄翔,等. 高性能主从模式动态可重构的SPI IP核设计[J].电子技术应用,2018,44(3):15-18.

英文引用格式: Wei Pengbo,Zhang Cunde,Huang Xiang,et al. Design of a high-performance and dynamic reconfigurable SPI IP core with master and slave mode[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(3):15-18.

0 引言

随着集成电路设计的快速发展,系统芯片(System-on-a-Chip,SoC)的集成度越来越高,从而对信号之间交流的要求也变高[1-2]。由于串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)总线协议具有全双工模式、占用I/O端口少、协议灵活等优点,在实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间得到了广泛应用[3-4]。

目前,SPI IP核已经成为SoC的标准配置,相关人员也做了很多研究。例如,周雪荣等人面向AD9222设计的一款SPI模块[5],可以配置为主机模式且符合AD9222芯片的接口时序;汪永琳等人设计的SPI接口[6],实现了SPI主从机之间数据的双向传输且满足三线半全工工作方式;李大江等人基于FPGA的SPI总线设计[7],分别设计了主机和从机。上述SPI设计可以适用于不同的应用场合,但是在SoC中进行通信时,不具有主从模式下动态可重构的能力。因此,本文根据SPI总线协议,设计了一种主从模式动态可重构,支持四线全双工,允许七种时钟传输速率的SPI IP核,并对其逻辑资源消耗和功耗问题进行了优化。

1 SPI工作原理

SPI总线协议是由Motorola公司首先提出的,主要应用于单片机系统中短程通信的同步串行通信接口规范[8]。SPI总线协议规定,它以主机或从机方式工作,主从机之间的数据传输存在4种数据传输模式并由cpol(时钟极性)和cpha(时钟相位)来控制,如表1所示。当cpol=0时,sclk的空闲电平为0;当cpol=1时,sclk的空闲电平为1。当cpha=0时,在空闲状态到有效状态边沿采集数据;当cpha=1时,在有效状态到空闲状态边沿采集数据[9]。

在SoC中SPI IP核的传统连接方式如图1所示。通信过程中,SPI通过片上总线将CPU核传输的并行数据转换为串行数据,与从机进行数据交换;并把从机传输的串行数据转换成并行数据,通过片上总线发送给CPU核[10]。对SPI从机来说,它会在被主机选中的情况下与主机进行数据的传输[11]。

2 SPI IP核设计

2.1 模块划分和接口定义

2.1.1 模块划分

根据SPI功能的不同,将所设计的SPI IP核划分为如图2所示的3个模块:寄存器配置块(Register Configuration Block,RCB)、数据传输块(Data Transfer Block,DTB)和错误中断块(Fault Interrupt Block,FIB)。RCB由CPU核对其进行配置,如主从模式、时钟极性和时钟相位等;DTB根据配置的信息来进行主从机间的数据传输;FIB在出现模式错误(例如当SPI配置为主机时,从机选择端口被拉低)、读写冲突等问题时会向CPU核发出中断请求。

2.1.2 端口定义

nwr和nrd分别是写使能和读使能端口;addr是地址端口;idata和odata分别是数据输入和输出端口。当地址有效时,数据输入和输出端口根据读写使能的配置来进行数据的输入和输出操作。spen、mstr、cpol和cpha 4个端口依次是SPI使能端、主从机配置端、时钟极性和时钟相位端,使得对SPI IP核进行配置更加直接和方便。

misoo、misotri和misoi 3个端口与一个三态缓冲器连接,以提供一个外部双向端口miso,外部双向端口mosi和sclk原理相同。这些双向端口在有限状态机模块的控制下被配置为不同的传输方向,以此来解决主机模式和从机模式下数据传输端口传输方向相反的问题。miso在从机模式下发送数据,在主机模式下接收数据;mosi在主机模式下发送数据,在从机模式下接收数据;sclk在主机模式下发送时钟,在从机模式下接收时钟。同时,SPI IP核通过复用一个移位寄存器就可以完成主机和从机模式下的数据传输,实现了主从模式可配置的能力并节省了芯片面积。ssn是从机选择端口,配置为从机时才使用,低电平有效。

int是中断控制端口,当数据传输完成或SPI被配置为主机而ssn(从机选择)端口为低电平等情况时,FIB模块就会产生中断请求。

2.2 电路设计

2.2.1 SPI可重构电路状态机的设计

SPI可重构电路状态机的设计,如图3所示。当复位信号有效或者SPI使能端口spen被配置为低电平无效状态时,可重构电路状态机就会处于空闲状态。此时,可向主机模式或从机模式进行转移。

转移为主机模式时,首先需要把mstr端口配置为1。然后,有两种情况可以转移到主机模式:(1)配置从机选择端口无效位ssdis为高电平有效状态;(2)配置ssn端口为高电平无效状态。

转移为从机模式时,首先需要把mstr配置为0。然后,有3种情况可以转移到从机模式:(1)当配置cpha为高电平时,并配置ssdis位为有效状态,此种情况适用于只有一个从机下的数据传输;(2)当配置cpha为高电平时,检测到ssn端口为低电平;(3)当配置cpha为低电平时,检测到ssn端口的下降沿。

当状态机从空闲状态已经过渡到主机或者从机模式时,就会判断数据的传输是否完成,当传输未完成时,就会保持在当前状态;当传输已完成时,就会转移到空闲状态。此外,当前模式出现错误时,也会转移到空闲状态。SPI可重构电路状态机如图3所示。

由状态转移图可知,此SPI IP核可实现空闲状态、主机模式和从机模式之间的状态转换,具有在线动态可重构的特性。

2.2.2 时钟分频

主机模式下的串行时钟由7位计数器、数据选择器和D触发器组成的时钟分频模块产生,如图4所示。

输出时钟sclko取决于CPU核对控制寄存器的配置,当对控制器寄存器相应的三位配置都为1时,sclko的值为cpol的值,不产生时钟,其他情况均对时钟有分频作用。因此,此时钟分频模块可对系统时钟产生7种分频,如表2所示。

3 仿真与验证

3.1 仿真平台搭建

为了方便验证此SPI IP核的正确性,设计了模拟CPU核功能的发送接收模块、验证IP核(Verification IP,VIP)模块和数据比较模块等。发送接收模块产生指令和数据对SPI IP核和VIP模块进行配置。配置完成后,SPI IP核和VIP模块进行主从机之间数据的传输;传输完成后,发送接收模块分别读取SPI IP核和VIP模块传输的数据。最后,比较模块从CPU核读取所传输的数据并验证数据的正确性。仿真原理如图5所示。

3.2 仿真及结果分析

最后,使用NC-Verilog对其进行仿真验证,主从模式下的仿真时序如图6所示。首先,通过发送接收模块对SPI IP核的控制寄存器依次写入h’10和h’50(配置SPI为主机模式,SPI接口有效)。同时,配置VIP模块为从机。然后,设置主机要发送的数据为h’aa,从机要发送的数据为h’55,在sclko(对clk时钟2分频)时钟频率下,主机的mosio(主机输出,从机输入)端口串行发送数据h’aa,misoi(主机输入,从机输出)端口串行接收数据h’55,传输完成后读取状态寄存器的值为h’80(传输完成),读取数据寄存器的值为h’55(传输成功)。然后,对控制寄存器写入h’40(配置SPI为从机,SPI接口有效)。同时,配置VIP模块为主机,ssn(从机选择端口)变为低电平有效状态。在sclki(对clk时钟4分频)时钟频率下,从机的miso(从机输出,主机输入)端口串行发送数据h’55,mosii(从机输入,主机输出)端口串行接收数据h’aa,传输完成后读取状态寄存器的值为h’80(传输完成),读取数据寄存器的值为h’aa(传输成功)。

主机模式下不同时钟速率下的数据传输如图7所示。图中给出了对clk时钟2分频时,主机发送数据为h’aa,接收数据为h’55;对clk时钟4分频时,主机发送数据为h’55,接收数据为h’aa;对clk时钟8分频时,主机发送数据为h’aa,接收数据为h’55等情况下的数据传输情况。在不同分频模式下,数据传输能正常传输且结果正确。

仿真结果表明:此SPI IP核符合SPI总线协议并且满足设计规范的要求。综合结果显示:在0.13 μm工艺下消耗1 062个逻辑门,在系统工作频率80 MHz下的功耗约为0.395 7 mW。

4 结论

本文根据SPI总线协议设计了一种高性能主从模式动态可重构的SPI IP核,并对该IP核的模块划分、接口定义和可重构电路状态机等进行了详细描述。结果显示,此设计符合SPI总线协议,实现了7种时钟分频,支持4种数据传输模式;在保证功能和性能情况下,逻辑资源消耗更少、功耗更低。

参考文献

[1] 李安新,周祖成.SoC新技术——可编程逻辑IP核[J].半导体技术,2001,26(12):17-19,27.

[2] 尉晓龙.X-DSP SPI模块及其AMBA接口的设计[D].长沙:国防科学技术大学,2014.

[3] TIAN X C,LI J,FAN Y B,et al.Design and implementation of SPI communication based-on FPGA[J].Advanced Materials Research,2011,291-294:2658-2661.

[4] 杨晓,李战明.面向系统级芯片的串行外设接口模块设计[J].计算机应用,2015,35(12):3607-3610.

[5] 周雪荣,叶凡,任俊彦.面向AD9222的SPI模块设计[J].固体电子学研究与进展,2015(3):284-288,295.

[6] 汪永琳,丁一.一种3线制半双工SPI接口设计[J].半导体技术,2010,35(5):482-484.

[7] 李大江,崔建明.一种基于FPGA的可配置SPI Master接口设计实现[J].电子技术应用,2010,36(10):60-62.

[8] 孙永琦,李晓明.基于DW8051的SPI控制器设计[J].电子器件,2012,35(3):339-343.

[9] 辛晓宁,孙文强.全功能SPI接口的设计与实现[J].电子设计工程,2012,20(23):153-156.

[10] 刘敏,陈金鹰,唐伟,等.基于FPGA的并行数据转SPI接口设计[J].电视技术,2012,36(5):31-32,60.

[11] 白光泽,邢燕.基于Verilog HDL的SPI IP核的设计及仿真实现[J].制造业自动化,2010,32(15):113-115.

作者信息:

魏朋博1,2,张存德1,2,黄 翔1,2,虞致国1,2,顾晓峰1,2

(1.物联网技术应用教育部工程研究中心,江苏 无锡214122;2.江南大学 电子工程系,江苏 无锡214122)

电力的三个隐形冠军方向

背靠国家提出的“2030年前碳达峰”和“2060年前碳中和”策略,“双碳”的投资将是未来很明确的投资主线,君临坚定看好这部分的投资机会。

当前,电力行业排放约占我国CO2排放总量的四成,“需求端:终端用能电气化+供给端:电力系统脱碳”是减少碳排放的主要路径。

用通俗易懂的话来解释这两条路径:

终端用能电气化,指的是能用电的都用电,终端能源需求主要由电力满足,解决的是“用什么”的问题。

比如,电动汽车代替燃油车、工业部门用电产热、建筑供暖和热水供应使用电力。

这是必然的趋势,国网能源研究院《中国能源电力发展展望 2020》研究显示,2060年我国终端电气化率将由2020年的26.8%上升至50%-70%左右。

电力系统脱碳,解决的是“电从哪里来”的问题。

火力发电是国内发电最主要的形式,虽然随着太阳能、风电的逐步推广,火力发电重要性在逐渐下降,但截至7月份,我国火电发电仍占总发电量72.2%。

而煤是火电的能量来源,在能量转换过程中,煤炭的直接燃烧导致了居高不下的碳排放。

通过逐步淘汰常规燃煤发电,快速发展以可再生能源为主,核能和碳捕集、利用和封存为辅的多样化技术组合发电量,实现电力部门脱碳。

虽然目前可再生能源占比仅在9.5%左右,但国网能源研究院预测2050年这一比例将提升至50%。

这两条路径,均事关“电力系统”,因而电力系统在“双碳”中居于核心地位。

电力系统的转型升级,是新的投资增量。

在新能源比例占比较低的阶段,消纳新能源不会对电网造成太大负担。

但,要实现以新能源为主的电源结构,那么这一套系统就得重新再来,加大投资,建设新型电力系统,以支撑新能源接入和消纳。

发电侧、电网侧,均需要大量配套投资以实现电力系统的平衡和灵活,而这些新的建设,又带来了软硬件、电网业态的持续升级。

新型电力系统建设的过程中,投资机会非常多样。

按照改造的路径,大致可分为网架建设、灵活性建设、数字化转型、调度能力升级、电能替代及节能改造、市场机制建设六大方面。

每个环节单独拎出来看,都是目前大热的投资机会。

但,这些明线并非君临的主要分享,今天,君临来分享一条暗线,贯穿整个新型电力建设的3个科技领域的方向!

1.电子元器件

在发电端电力系统脱碳环节,风力和光伏是取代火力的中坚力量,在这两个环节,都需要用到逆变器。

但逆变器的阳光电源,股圈尽人皆知,估值也已经上百倍了,君临并非介绍逆变器相关的机会,而是往上游零部件追溯。

功率半导体的IGBT是风电和光伏逆变器的核心零部件,是电力电子行业里的“CPU”。

由于电有高压电,低压电,IGBT的作用,简单来说,就是将高压转换成低压,低压转换成高压。

按照封装的方式区分,有IGBT分立器件、IGBT模块以及IPM。

其中,IGBT模块又是IGBT最常见的形式,它是将多个IGBT芯片封装在一起,实现更大功率、更强的散热能力。

虽然功率器件在整台电力电子装置中的价值通常不会超过总价值的 20%-30%,但对整机的总价值、尺寸、动态性能、过载能力、耐用性和可靠性起着十分重要的作用。

除了发电端的用途外,输电端、变电端、用电端均需要用上IGBT模块,需求的增长给这个行业带来机会。

在输电端,特高压直流电中的FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

在变电端,IGBT是电力电子变压器(PET)的关键器件。

在用电端,新能源汽车对IGBT有大量的需求。

可以说,IGBT的需求贯穿“双碳”的整个过程。

2019年,全球IGBT模块市场规模约300亿元,中国的需求就占了一半,同年市场规模为162亿元。

在各端需求的带动下,国内IGBT的市场规模,将以15.75%的增速增长,2023年,整体市场规模将达到290.8亿元。

但是,在国内,IGBT的供需有很大的缺口,因为供小于求,行业的周期性,并不会特别明显。

2020年,国内IGBT需求在1.1亿只以上,然而供给只有0.2亿只左右。

Yole预测,2024年,国内IGBT的需求量达到1.96亿只,然供给只能达到0.78亿只。

为什么供给只有那么少呢?

在芯片设计层面,IGBT为应用场景服务,只有下游做大做强,上游的研发才能跟上。

IGBT的全球供应,主要被英飞凌、三菱和安森美垄断。

英飞凌的崛起,得益于德国的强大汽车工业体系,依托宝马、奔驰、奥迪等车企。

三菱的高占比,得益于日本家电行业的发达,三菱的空调催生了三菱电机。

因此,在海外企业的垄断下,短期国内的IGBT企业并不多。

在芯片制造层面,传统功率半导体工艺流程只有1周左右,但IGBT流程达到2.5-3个月,只要有一个参数发生偏差,就需要工艺流程重新返工,1年之内没有几次试错成本。

此外,IGBT是一个资本密集型产品,进入门槛高,是一个辛苦活。

例如,8寸线每月1万片产能,设备的投入就需要30亿元,每一代工艺的更新也需要不停地投钱研发,如果客户没有批量订单导入,财务资金压力很大。

这就使得,一方面,专注于某一个应用领域的公司,很难在短时间跨越到其他应用领域;新的企业也较难进来。

另一方面,交期排产节奏被市占率高的欧美企业垄断,市占率越高,产品的反馈数据越多,积累的经验越多,产品越成熟,利润体量越大,投入新一代的研发也越多,形成一个良性循环。

现在,这两种状况都在改变。

国内的IGBT市场格局,依然是英飞凌占主导,总体市占率在2019年达到58%,其次是比亚迪,市占率达到18%。

比亚迪主要是依托于其新能源车,其产品设计可以直接匹配比亚迪汽车对动力性能的要求。

国内的中车时代半导体虽然市占率不高,但它的崛起,得益于中国高铁里程的全球第一,庞大的内需市场,才使得中车时代半导体能够在收购英国的技术上实现了国产替代。

现在的时代背景是,国内的新能源汽车发展领先世界,电力改革推进力度大,为国内的IGBT发展带来持续的需求和研发动力。

又因为2018年开始的贸易摩擦、去年开始的全球缺芯,国内IGBT企业的订单逐步增加,他们累积的数据不断增加,生产进入良性循环。

因此,IGBT在双碳时代的投资逻辑,可以总结为:需求贯穿全周期+具备稀缺性+国产替代加速=国内的IGBT公司受益。

具体标的方面,发电端(光伏和风电)和用电端(新能源车)的标的需求持续性更强。

斯达半导: 近日,斯达半导在与投资者互动时表示,公司使用自主IGBT芯片的模块和分立器件已在国内主流光伏逆变器厂家大批量装机应用。

士兰微: 在风电领域,虽然量比较少,但已经开始批量出货;在汽车领域,已经通过多家客户的车规级认证,但受限于产能,量还不大。

时代电气: 风电变流器、光伏逆变器和中央空调变流器批量交付;新能源车领域,与东风、广汽等车企及汇川等电驱厂商深度合作。

2.电力IT

电力IT的这个方向是根正苗红的。

国网经历了六任一把手,每一任一把手均有自己带领国网行进的方向。

第三任期间,主推的是特高压建设。

第四任提出了“三型两网”战略目标,其中“三型”是指枢纽型、平台型、共享型企业;“两网”是指坚强智能电网和泛在电力物联网。

第五任对国家电网战略目标的表述是——具有中国特色国际领先的能源互联网企业,因而,能源互联网就是主旋律。

现任的辛总,上任之后的表态有前几任掌舵者的集大成之意,总结是“碳达峰、碳中和”、能源互联网以及新型电力系统。

三型两网、泛在电力物联网的建设,必然少不了电力IT的支持。

根据国家电网《泛在电力物联网建设大纲》,2018年底,国家电网接入电网的终端设备超过5.4亿只,日采集数据量超过60TB。

预计到2025年接入终端设备数量将超过10亿只,到2030年将超过20亿只。

了解国家电网的行事风格的话,就能明白,从重要性的角度来说,电力IT是符合上级意志的发展方向。

不仅有重要性,还有必要性。

与传统电力系统相比,新型电力系统最大的升级在于灵活性与智能化方面,电力IT匹配智能化,因而也是贯穿双碳全过程的一条暗线。

从投资额可以看出,智能化投资重要性逐渐凸显。

2009-2020年国家电网规划总投资达3.45万亿元,其中智能化投资3841亿元,占总投资的11.13%。

我国电网智能化的投资建设大体可分为三个阶段。

第一阶段是2009-2010年,其间电网总投资为5510亿元,智能化投资为341亿元,占比6.19%。

第二阶段是2011-2015年,智能化投资占比达到了11.7%;

第三阶段是2016-2020年,智能化投资额占比达到了12.5%。

从这三个阶段的投资额来看,智能电网的重点在用电、配电、变电及通信环节。

9月7日开始,《绿色电力交易试点工作方案》被正式批复,意味着居民可以选择使用风电、光伏发电产生的绿色电力。

未来绿色发电的提升,居民选择权的完善,又给发电、配电和用电环节带来了新的动力,带动电力IT,特别是电力软件需求的增长。

因而,电力IT的建设,既有重要性,亦有必要性。

个股方面:

恒华科技: 国产BIM平台软件领导者,掌握国产BIM软件核心技术。

自成立以来,一直专注在电力领域的BIM软件及数字化应用,电力领域营收占比97%,覆盖从发电到输电、变电、配电、用电等全流程。

核心客户包括国家电网、中国南方电网、国家电投、国家能源集团、中国能建、中国电建、内蒙古电网、大唐集团公司等。

电力IT的升级,将为公司带来新的增量。

一方面,公司可以开展面向整县光伏规划咨询、工程设计、资产运维、信息化产品等全过程的技术服务业务。

另一方面,公司可以为客户提供BIM系列软件。

朗新科技: 售电和用电信息化龙头,其在电力行业用电服务数字化领域市场占有率超过40%,B端和C端业务均非常成熟。

电力IT的升级,给公司带来两方面的增量。

其一,“双碳”战略,公司能源数字化系统建设持续高景气,公司全面参与国网能源互联网营销服务系统(营销2.0)的试点项目建设工作,企业能源数字化服务开拓新市场。

其二,绿电交易推动下,直接推动公司售电侧和用电侧软件模块升级和新增。

国电南瑞: 国内领军的能源互联网解决方案提供商,为电网、发电、轨道交通、水利水务、市政公用、工矿等行业和客户提供软硬件产品、整体解决方案及应用服务。

是国内电网安全稳定控制和调度领域唯一能够提供一体化整体解决方案的供应商。

3.虚拟电厂

日常用电来自发电厂,那什么是虚拟电厂呢?

如果用一个短句来概括,虚拟电厂是“能源调度的智能管家”,通过虚拟电厂,来实现“储能协调”以及“哪里不够补哪里”,举个例子就能更加直观明白。

前段时间,南方电网首个市级虚拟电厂正式投入运行。

8月29日凌晨,广州市荔湾区龙溪村,连日的持续高温使居民用电节节攀升,电网负荷一度告急。

这个时候,广东电网广州供电局调控中心通过广州市虚拟电厂管理平台向公交充电公司发出首条直调指令,精准削减变电站负荷,调整公交充电计划时间。

指令下达1分钟内,110千伏增滘站主变峰值负荷下降约2000千瓦,削减比例约10%,保障了2000户家庭的空调用电。

首先,这个举措,对应的是“哪里不够补哪里”的作用。

虚拟电厂缓解了高峰用电紧张,削峰填谷。

这事要搁以前,解决模式是新建电厂,并加大变电站及电网的投入,但这样不仅要投入大量的人力、物力、财力,也会增加碳排放。

但现在不需要了,通过虚拟电厂的连接,让电网端更加灵活,提高供电网的协调能力。

其次,虚拟电厂能够调用公交充电公司的电,这些企业起到储能侧的作用。

这些企业接入虚拟电厂并参与调峰辅助服务市场后,在不影响整体产能的前提之下,实现错峰用电,调整生产时序。

既享受到低谷电价,还能得到一笔调峰补贴费用,降低了经营成本,又可缓解电网高峰时段的负荷问题。

现阶段我国的虚拟电厂,产业生命周期属于尚在起步阶段,但具备政策、产业、行业多因素共振,恰逢其时。

在政策端,就是我们前面说的双碳背景,以虚拟电厂为首的综合能源服务加速发展,各地区加速推进虚拟电厂建设。

在产业端,最近的电力紧张、限产限电情况越发严重,让虚拟电厂越来越具备实际的使用价值。

在行业端,储能技术不断完善,储能成本下降,虚拟电厂能带来的利益随着成本的下降不断提升,对参与者而言商用条件逐步成熟。

虚拟电厂的个股,恒实科技较纯正

公司是国内领先的综合能源服务、通信设计及物联网应用解决方案供应商,全面参与了冀北虚拟电厂项目运营流程。

其次是东方电子 ,是国内能源管理系统解决方案主要提供商,参加了广州虚拟电厂管理平台项目的设计工作。

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