嵌入式系统芯片设计――基于CKCPU

国产集成电路，提供配套电子课件、程序代码、习题参考答案等

本书介绍基于中天微国产集成电路 AMBA/AXI 总线嵌入式 CPU 片上系统（System on Chip，SoC）硬件电路设计，通过一系列相关实验构建完整的 SoC 硬件电路。主要内容包括：CK-CPU 简介、SoC 芯片设计入门、AXI 总线协议、AXI master 模块设计、并行接口 LCD 和摄像头控制模块设计、AXI IIC 设计、SPI 模块设计、AHB 总线 CK803、MIPI 全高清摄像 SoC 设计、运动控制与中断、MP3 播放器设计、MJPEG 视频播放器设计等。本书提供免费配套电子课件，并通过书中二维码提供免费微课视频。

张培勇，男，浙江大学副教授，十余年来从事高校集成电路相关课程的教学、教研和科研工作，经验丰富。曾就职于中天微从事国产集成电路、国产CPU设计研发工作。

目 录

1 CK-CPU简介 1
1．1 CK-CPU特性 1
1．2 CK803 体系结构简介 3
1．3 CK807 体系结构简介 3
1．4 实验环境 5
2 SoC 芯片设计入门 6
2．2 CK-CPU SoC 软件设计环境 10
2．3 CKCPU 的 Hello World 实验 11
3 AXI总线协议 19
3．1 AXI总线协议介绍 19
3．2 AXI Lite 接口模块设计 27
3．3 AXI Lite 接口 UART 设计 30
3．4 UART 驱动软件 65
4 AXI master 模块设计 72
4．1 AXI 突发传输模式 72
4．2 HDMI 控制器硬件设计 74
4．3 HDMI 初始化电路设计 78
4．4 HDMI 输出电路设计 81
4．5 AXI LITE 接口 HDMI 控制器 88
4．6 AXI FULL 接口 HDMI 控制器 95
4．7 HDMI TMDS 编码与串行输出
电路设计 104
5 并行接口 LCD 和摄像头控制模块设计 125
5．1 并行 LCD 接口 125
5．2 并行 LCD 控制器设计 128
5．3 并行接口摄像头控制器设计 135
6 AXI IIC 设计 147
6．1 IIC 总线协议 147
6．2 IIC 总线温度传感器 152
6．3 温度传感器 SoC 设计 156
6．4 AXI 接口 IIC 控制模块设计 164
7 SPI模块设计 203
7．1 SPI总线协议 203



7．2 SPI总线加速度传感器 206
7．3 加速度传感器SoC设计 208
7．4 AXI接口SPI控制模块设计 212
7．5 SPI LCD控制模块设计 229
8 AHB总线CK803 237
8．1 AHB总线协议 237
7．2 CK803 SoC 241
7．3 AHB to AXI Bridge 242
7．4 AHB to AXI Bridge模块验证 245
9 MIPI全高清摄像SoC设计 249
9．1 MIPI总线协议 249
9．2 摄像头控制 250
9．3 MIPI串行信号接收 252
9．4 MIPI信号解码 255
9．5 RAW8格式转RGB 259
9．6 RGB转YUV 260
9．7 AXI接口MIPI控制器 265
10 运动控制与中断 276
10．1 两轮平衡车原理 276
10．2 SoC硬件设计 277
10．3 驱动软件设计 281
10．4 中断 282
11 MP3播放器设计 290
11．1 SD卡读写 290
11．2 SD卡控制器设计 291
11．3 MP3软件解码 331
11．4 PWM音频播放 332
12 MJPEG视频播放器设计 338
12．1 JPEG编码原理 338
12．2 JPEG文件格式 354
12．3 HLS设计IDCT电路 361
12．4 HLS设计JPEG解码电路 377
12．5 MJPEG SoC设计 397

前 言

EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术是20世纪90年代以来迅速发展起来的电子设计新技术，它以可编程逻辑器件为载体，以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言（HDL）为电子系统的功能描述方式，以电子系统设计为目标，在教学、科研，以及大学生电子设计竞赛等应用场合中起着越来越重要的作用。

EDA技术目前成为电子类本科生必须掌握的专业基础知识与基本技能，国内许多高校的相关学科已将EDA技术作为一门重要的专业基础课程。随着教学改革的深入，对EDA课程教学的要求也在不断提高，为与EDA技术的发展相适应，必须对教学内容进行更新和优化。

我们认为在EDA教学中应注意如下几点。

首先，要明确最基本的教学内容，并突出重点。EDA技术教学的目的是使学生掌握一种通过软件的方法来高效地完成硬件设计的设计技术，应以培养学生的创新思维和设计思想为主，同时使学生掌握基本的设计工具和设计方法。

其次，要改进教学方法。EDA教学应主要以引导性教学为主，合理安排理论教学和实验教学的学时比例，使学生能够理论联系实际，提高实践动手能力和工程设计能力。

再次，要注重教学实效。EDA课程具有很强的实践性，针对性强的实验应该是教学的重要环节，应格外重视EDA实验的质量。

基于以上的认识，我们安排了本书的章节，本书是以可编程逻辑器件、EDA设计工具、VHDL硬件描述语言三方面内容为主线展开的，贯穿其中的则是现代数字设计的新思想、新方法。

本书是在普通高等教育“十一五”国家级规划教材《EDA技术与VHDL设计》基础上编写的，全书共10章，主要内容涵盖了EDA技术的硬件资源、软件操作和设计应用。

第1章对EDA技术做了综述，介绍了EDA技术的发展、EDA设计流程及EDA技术涉及的领域。第2章介绍可编程逻辑器件的基本概念、结构组成和工作原理，可编程逻辑器件的编程工艺及测试技术等。第3章具体介绍Altera公司典型的FPGA/CPLD器件的结构与配置。第4章介绍使用集成工具Quartus II软件进行设计开发的过程，并介绍宏功能模块的设计与应用。第5章介绍基于VHDL的设计过程及VHDL综合工具的使用方法。第6章介绍VHDL的语法、结构与要素。第7章介绍VHDL的语句及常用组合电路、时序电路的VHDL设计。第8章结合具体实例介绍用VHDL进行设计的方法。第9章是用VHDL进行数字接口开发的实例。第10章是数字通信常用算法与模块的设计实例。

为了方便使读者能够较系统、完整地学习EDA技术，掌握EDA设计基本技能，本书从教学的角度出发，尽量将有关EDA技术的内容编入书中，并力求内容精炼，语言通俗易懂。读者也可以根据实际需要，节选学习书中的部分内容，然后再通过相关EDA技术书籍的学习，达到掌握EDA技术的目的。

本书的教学可安排32～40学时，其中第1章占2学时，第2章占4学时，第3章占4学时，第4章占4学时，第5章占4学时，第6章占4学时，第7章占4～6学时，第8章占2～4学时，第9章占2～4学时，第10章占2～4学时。建议安排8～16学时的实验，第一个实验可安排EDA工具软件的使用方法。此外，各学校也可根据自己的教学计划适当调整学时安排。本书提供配套电子课件、程序代码和习题参考答案等教学资源，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册下载。

本书由徐志军教授主编，并编写第1、2章，第3、4、5章由王金明编写，第6、7章由尹廷辉编写，徐光辉编写了第8章，苏勇编写了第9、10章，全书由徐志军统稿。南京航空航天大学的王成华教授审阅了全书，并提出了修改意见和建议，杭州电子科技大学的潘松老师也给予了支持和帮助，我们在此表示衷心的感谢！

本书是几位老师在多年EDA教学经验的基础上精心编写而成的，虽经很大努力，但由于作者水平所限，加之时间仓促，书中错误与疏漏之处在所难免，真诚地希望同行和广大读者批评指正。

作 者

2015年7月