SEP3203處理器與FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計

時間：2008-01-09 14:17:00

關(guān)鍵字： FPGA 處理器數(shù)據(jù)通信接口接口設(shè)計

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[導(dǎo)讀]采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的算法處理后，SEP3203處理器通過DMA方式將運算結(jié)果存儲到片外SDRAM，SEP3203與FPGA的數(shù)據(jù)通信遵循SRAM時序。通過兩組FIFO存儲A／D數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了信號的不間斷采集和信號處理的流水線操作。

摘要 SEP3203是東南大學(xué)自主研發(fā)的基于ARM7TDMI的一款微處理器。系統(tǒng)在該處理器的控制下通過FPGA實現(xiàn)對信號的A／D采樣和采樣后的數(shù)據(jù)存儲。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的算法處理后，SEP3203處理器通過DMA方式將運算結(jié)果存儲到片外SDRAM，SEP3203與FPGA的數(shù)據(jù)通信遵循SRAM時序。通過兩組FIFO存儲A／D數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了信號的不間斷采集和信號處理的流水線操作。
關(guān)鍵詞 SEP3203處理器 FPGA FIFO接口設(shè)計

    SEP3203處理器是由東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計的16／32位RISC微控制器，面向低成本手持設(shè)備和其他通用嵌入式設(shè)備。該處理器內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器內(nèi)核，為用戶提供了面向移動終端應(yīng)用的豐富外設(shè)、低功耗管理和低成本的外存配置，整個芯片可以運行在75 MHz。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)使用的主要功能模塊如下：20 KB片上零等待靜態(tài)存儲器(eSRAM)；外部存儲器接口控制器(EMI)；中斷控制器(INTC)；DMA控制器(DMAC)。
    系統(tǒng)中使用的FPGA為Altera公司的Cyclone系列中的EPlC6Q240C8，擁有豐富的I／O資源和邏輯資源，外部接口遵循SRAM時序。它主要負責(zé)提供信號的A／D采樣頻率，并將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲到一組FIFO中，待FIFO的FF(Full Flag)端u有效后，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀回，同時使能另一組FTFO的寫時序，實現(xiàn)了信號不間斷的采樣和存儲。
    FPGA將一組數(shù)據(jù)處理完畢后，以中斷的方式通知SEP3203，處理器以DMA方式將運算后的結(jié)果存儲到片外的SDRAM中。由于數(shù)據(jù)寫滿FIFO的時間大于FPGA處理數(shù)據(jù)的時間，所以整個系統(tǒng)實現(xiàn)了流水線操作。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
系統(tǒng)硬件主要由信號采集模塊、FIFO、FPGA和SEP3203處理器組成。信號采集模塊主要包括信號接收器和A／D轉(zhuǎn)換模塊。接收到的信號首先要通過NE5534進行放大，NE5534采用士5V供電。圖1為系統(tǒng)總體框圖。

系統(tǒng)中的A／D轉(zhuǎn)換芯片使用了ADI公司的ADl672，它采用4級流水線結(jié)構(gòu)，在3 Msps采樣速度下精度為12位。FIFO選用了IDT公司的IDT7202。它具有輸入和輸出兩套數(shù)據(jù)線，獨立的讀／寫地址指針在讀／寫脈沖的控制下順序地從雙口FIFO讀／寫數(shù)據(jù)，讀／寫地址指針均從第一個存儲單元開始，直到最后一個存儲單元，然后又回到第一個存儲單元。為了支持9位數(shù)據(jù)寬度的存儲，系統(tǒng)采用了2片IDT7202將數(shù)據(jù)寬度擴展為16位，共使用了4片IDT7202實現(xiàn)了FIFO的協(xié)同工作。在系統(tǒng)工作時，IDT7202內(nèi)部的仲裁電路通過對讀指針和寫指針的比較，相應(yīng)給出FIFO的空(EF)和滿(FF)狀態(tài)指示；FPGA可以根據(jù)所獲得的FIFO狀態(tài)標(biāo)志控制FIFO的讀／寫時序，實現(xiàn)對FIFO的讀／寫操作。
Cyclonc系列的FPGA支持多種I／O電平標(biāo)準(zhǔn)，包括3．3 V、2．5 V和l.8 V的LVTTL和LVCMOS電平。SEP3203處理器的I／O電平為3．3 V，與工作在3．3 V的FPGA電平兼容，可以直接相連。由于FIFO必須是5 V供電，所以FPGA將數(shù)據(jù)從FIFO讀入內(nèi)部存儲器時，需要經(jīng)過一個電平轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)選用了IDT公司的IDT74LVCl6245，它支持8／16位數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2 SEP3203與FPGA的接口電路設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
系統(tǒng)中的FPGA輸入時鐘由外部晶振提供，為20MHz。FPGA的復(fù)位信號通過SEP3203的I／O口實現(xiàn)。本系統(tǒng)有2個觸發(fā)信號：硬件觸發(fā)信號和軟件觸發(fā)信號。硬件觸發(fā)信號低電平有效，軟件觸發(fā)信號高電平有效。首先，SEP3203處理器產(chǎn)生復(fù)位信號復(fù)位FPGA內(nèi)部的邏輯電路；當(dāng)FPGA檢測到任何一個有效觸發(fā)信號后，會按照SEP3203處理器配置的分頻因子，將in_clk分頻后輸出div_clk給A／D采樣電路。硬件實現(xiàn)框圖如圖2所示。

A／D采樣數(shù)據(jù)在采樣時鐘有效后短時間內(nèi)可能會是無效的，所以SEP3203耍配置一定的延時值給FPGA。當(dāng)延時滿足后，F(xiàn)PGA才將FIFO的寫時序輸出到IDT7202的寫端口。確保采集到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。
圖3是SEP3203處理器輸入到FPGA內(nèi)部的控制信號的仿真波形罔。in_rst_n_a是復(fù)位信號，in_we_n和in_cs_n是SEP3203的寫信號和片選信號。系統(tǒng)中FPGA接到了處理器的CSB片選上，該片選的地址映射默認為0x24000000～0x27FFFFFF，in_addr是地址線，in_data為輸入數(shù)據(jù)。這里將延時設(shè)為2，分頻因子設(shè)為10，之后通過往地址0x24000804寫l，用軟件使能系統(tǒng)。in_trig為硬件觸發(fā)信號。

2．2 軟件設(shè)計

一旦軟件使能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA就會輸出div_clk給A／D采樣電路。div_clk可以通過軟件靈活配置，這里Div_clk為1MHz。

3 FPGA與FIFO的數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計
    在FPGA與FIFO數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計中，F(xiàn)PGA主要輸出控制時序到IDT7202的復(fù)位、寫和讀端口，實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到FIFO的存儲，并將數(shù)據(jù)從FIFO讀入FPGA的內(nèi)部存儲器。一旦延時滿足，F(xiàn)PGA就輸出寫時序給FIFO的寫端口(nW)，同時檢測FIFO的nFF(Full Flag)信號。若該信號為低，則說明FIFO已經(jīng)寫滿1024個半字(16位)。此時，F(xiàn)PGA輸出讀時序給該組FIFO，同時輸出寫時序給另一組FIFO，以不間斷地存儲A／D采樣數(shù)據(jù)。
    這部分電路在硬件實現(xiàn)上比較簡單，IDT7202的輸出數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換芯片IDT74LVCl6245輸出給FPGA，F(xiàn)PGA輸出控制時序到FIFO。由于FPGA輸出邏輯“l(fā)”時的最低電壓Voh為2．4 V，輸出邏輯“O”時的最高電壓Vo1為0．4 V，而IDT7202輸入邏輯“1”時的最低電壓為2．2 V，輸入邏輯“O”時的最高電壓為O．8V，所以FPGA到FIFO的控制時序無須進行電平轉(zhuǎn)換，控制端口可以直接相連。
    系統(tǒng)中FPGA輸出完爭符合FIFO讀寫時序的脈沖，控制FIFO的讀寫操作。圖4是仿真波形圖。

IDT7202的異步讀寫操作時序如圖5所示。

表l是IDT7202異步讀寫操作時序的參數(shù)及說明。

當(dāng)FPGA檢測到in_ff_n_l為低時，fifn_ff_pulse就產(chǎn)生一個50 ns的高脈沖；檢測到該脈沖后，out_wr_n_1持續(xù)高電平，out_rd_n_1輸出有效讀時序；同時out_wr_n_1輸出有效寫時序。寫時序以1 MHz的頻率輸出持續(xù)100ns低電平的脈沖；讀時序低電平持續(xù)100 ns，高電平持續(xù)50ns。FPGA根據(jù)out_FPGA_rd信號來采集FIFO輸出的數(shù)據(jù)。

4 SEP3203與FPGA的數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計
數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA做算法處理后，由SEl33203處理器將結(jié)果存儲到片外SDRAM中，SDRAM使用的是Winbond公司的W981216BH。硬件實現(xiàn)框圖如圖6所示。

SEP3203對FPGA的訪問遵循SRAM時序，圖7為SEP3203讀數(shù)據(jù)時的信號仿真波形圖。

通過DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時，in_cs_n和in_rd_n信號一直為低，所以只有通過in_addt信號來控制FPGA的內(nèi)部存儲器地址。處理后的A／D數(shù)據(jù)擴展為32位。
SEP3203處理器默認的AHB總線寬度是32位。當(dāng)使用DMA傳輸時，源和目的數(shù)據(jù)可以是不同的寬度，可以等于或小于總線的物理寬度。DMAC會對數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)拇虬徒獍?，以滿足AHB總線寬度。由于FPGA與SEP3202處理器之間只有16位數(shù)據(jù)總線，所以設(shè)計中源地址數(shù)據(jù)寬度設(shè)為16位，目的地址數(shù)據(jù)寬度設(shè)為32位。程序如下：

5 性能分析
    為了實現(xiàn)系統(tǒng)的流水線操作，使用了EPlC6Q240C8中的PLL模塊。FPGA的外部晶振頻率為20 MHz，PLL提供70 MHz的時鐘，主要用于A／D數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果輸出。采集1 024個16位數(shù)據(jù)的時間為(1／div_clk)×l 024，數(shù)據(jù)從FIFO讀入到結(jié)果輸出的時間為580μs左右，所以當(dāng)用l.7 MHz以下的頻率采樣A／D數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作正常。若需要更高的A／D采樣頻率，則可通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程來實現(xiàn)。
    另外，為了提高軟件的執(zhí)行速度，將代碼放在SEP3203處理器的eSRAM中執(zhí)行。它是片上SRAM，實現(xiàn)了單周期數(shù)據(jù)讀／寫，可以提供比外存高得多的性能(O．89 MIPS／MHz)，極大地縮短了軟件執(zhí)行時間，提高了系統(tǒng)性能。