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SEP6210芯片中低功耗CAN2.0总线控制器IP核设计与验证

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 CAN IP国外研究现状

1.2.2 CAN IP国内研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文章节安排

第二章 CAN总线简介

2.1 CAN总线协议分层结构

2.1.1 逻辑链路控制子层

2.1.2 媒介访问控制子层

2.1.3 物理层

2.1.4 CAN报文帧结构

2.2 CAN总线位时序

2.2.1 位定时要求

2.2.2 同步

2.3 CAN在SEP6210中的设计准则

2.3.1 SEP6210芯片简介

2.3.2 CAN IP的设计准则

2.4 本章小结

第三章 CAN IP的功耗优化方案

3.1 低功耗设计综述

3.2 功耗分析及优化技术

3.2.1 动态功耗优化技术

3.2.2 静态功耗优化技术

3.3 低功耗设计方案分析与制定

3.4 CAN IP的功耗优化方案详述

3.4.1 状态机编码分配优化

3.4.2 基于门控时钟的低功耗设计

3.4.3 基于动态调频的低功耗设计

3.4.4 低功耗工作模式设计

3.5 本章小结

第四章 CAN IP各模块的设计

4.1 CAN IP整体设计概述

4.2 功耗管理逻辑设计

4.2.1 工作模式设计

4.2.2 门控时钟设计

4.2.3 动态调频设计

4.3 接口模块设计

4.3.1 主机接口设计

4.3.2 FIFO设计

4.3.3 接收滤波器的设计

4.3.4 位时序逻辑设计

4.4 本章小结

第五章 CAN IP的验证及结果分析

5.1 功能仿真与FPGA验证

5.1.1 功能仿真

5.1.2 FPGA验证

5.2 功耗测试及结果

5.2.1 逻辑综合

5.2.2 PTPx功耗分析

5.2.3 功耗测试结果

5.3 功耗结果分析及展望

5.3.1 功耗结果分析

5.3.2 功耗优化结果展望

5.4 CAN IP验证结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文

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摘要

控制器局域网(Controller Area Network,CAN)是当前应用范围最广的现场总线之一,CAN已经逐渐被集成到应用于工业控制、物联网等领域的嵌入式微处理器中。目前,国内外有许多集成电路设计公司从事CAN IP的研发,CAN IP产品也层出不穷。东南大学苏州集成电路与系统重点实验室依托国家ASIC工程技术研究中心,致力于物联网传输控制领域的微处理器及解决方案研发,由于物联网领域大部分应用场合都有严格的条件限制,要求芯片具有较低的功耗。实验室早些年研发的CAN IP在功耗方面已经不能满足当前的需要,原来的CAN IP在正常的工作收发状态下总功耗为17.2mW,且没有设计低功耗模式,IP核必须长时间处于工作状态,然而这对于对功耗极为严苛的物联网芯片而言,根本无法满足功耗要求。
  为了解决上述所说的功耗问题,本论文提出了针对物联网传输控制芯片SEP6210的低功耗CAN IP的设计实现方法,通过剖析数字集成电路功耗的来源,确定出RTL级的低功耗设计方法策略。设计方法策略主要有以下几个方面:第一,RTL级代码设计全局门控时钟,部分全局门控时钟可以通过控制寄存器使能控制,而另一部分则是通过IP核自动开启和关闭;第二,设计多种工作模式,以适应不同应用场景的需要;第三,动态调频,即适时降低工作时钟频率以降低功耗。
  本论文对CAN IP的RTL进行的低功耗设计,最终将设计出的CAN IP集成到到SEP6210芯片,并且进行了系统功能仿真、FPGA验证、逻辑综合及功耗分析。系统级的仿真表明CAN IP实现了CAN2.0协议所规定的各项功能;FPGA验证的结果表明CAN IP的收发速率最高能达到1Mbit/s的要求,同时支持500Kbit/s和250Kbit/s收发速率;通过功耗测试和分析,CAN IP正常工作模式下的功耗为131mW,相较于功耗优化设计前的CAN IP功耗减少了23.8%。总的来说,本论文所设计的CAN IP各项指标都达到了预期要求。

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