SEP3203處理器的FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

SEP3203處理器是由東南大學(xué)國(guó)家專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)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(hù)提供了面向移動(dòng)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(gè)芯片可以運(yùn)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(chǔ)器(eSRAM)；外部存儲(chǔ)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EP1C6Q240C8，擁有豐富的I／O資源和邏輯資源，外部接口遵循SRAM時(shí)序。它主要負(fù)責(zé)提供信號(hào)的A／D采樣頻率，并將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一組FIFO中，待FIFO的FF(Full Flag)端口有效后，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀回，同時(shí)使能另一組FIFO的寫(xiě)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)不間斷的采樣和存儲(chǔ)。

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(yùn)算后的結(jié)果存儲(chǔ)到片外的SDRAM中。由于數(shù)據(jù)寫(xiě)滿(mǎn)FIFO的時(shí)間大于FPGA處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，所以整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了流水線(xiàn)操作。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[1-2]

系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)采集模塊、FIFO、FPGA和SEP3203處理器組成。信號(hào)采集模塊主要包括信號(hào)接收器和A／D轉(zhuǎn)換模塊。接收到的信號(hào)首先要通過(guò)NE5534進(jìn)行放大，NE5534采用±5 V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AD1672，它采用4級(jí)流水線(xiàn)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(xiàn)，獨(dú)立的讀／寫(xiě)地址指針在讀／寫(xiě)脈沖的控制下順序地從雙口FIFO讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀／寫(xiě)地址指針均從第一個(gè)存儲(chǔ)單元開(kāi)始，直到最后一個(gè)存儲(chǔ)單元，然后又回到第一個(gè)存儲(chǔ)單元。為了支持9位數(shù)據(jù)寬度的存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用了2片IDT7202將數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展為16位，共使用了4片IDT7202實(shí)現(xiàn)了FIFO的協(xié)同工作。在系統(tǒng)工作時(shí)，IDT7202內(nèi)部的仲裁電路通過(guò)對(duì)讀指針和寫(xiě)指針的比較，相應(yīng)給出FIFO的空(EF)和滿(mǎn)(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(xiě)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO的讀／寫(xiě)操作。

Cyclone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1．8 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(chǔ)器時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)選用了IDT公司的IDT74LVC16245，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(jì)

2．1 硬件設(shè)計(jì)[3]

系統(tǒng)中的FPGA輸入時(shí)鐘由外部晶振提供，為20MHz。FPGA的復(fù)位信號(hào)通過(guò)SEP3203的I／O口實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)有2個(gè)觸發(fā)信號(hào)：硬件觸發(fā)信號(hào)和軟件觸發(fā)信號(hào)。硬件觸發(fā)信號(hào)低電平有效，軟件觸發(fā)信號(hào)高電平有效。首先，SEP3203處理器產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)復(fù)位FPGA內(nèi)部的邏輯電路；當(dāng)FPGA檢測(cè)到任何一個(gè)有效觸發(fā)信號(hào)后，會(huì)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(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

A／D采樣數(shù)據(jù)在采樣時(shí)鐘有效后短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)是無(wú)效的，所以SEP3203要配置一定的延時(shí)值給FPGA。當(dāng)延時(shí)滿(mǎn)足后，F(xiàn)PGA才將FIFO的寫(xiě)時(shí)序輸出到IDT7202的寫(xiě)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(hào)的仿真波形圖。in_rst_n_a是復(fù)位信號(hào)，in_we_n和in_cs_n是SEP3203的寫(xiě)信號(hào)和片選信號(hào)。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(rèn)為0x24000000～0x27FFFFFF，in_addr是地址線(xiàn)，in_data為輸入數(shù)據(jù)。這里將延時(shí)設(shè)為2，分頻因子設(shè)為10，之后通過(guò)往地址0x24000804寫(xiě)1，用軟件使能系統(tǒng)。in_trig為硬件觸發(fā)信號(hào)。

2．2軟件設(shè)計(jì)[4]

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

3 FPGA與FIFO的數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

在FPGA與FIFO數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要輸出控制時(shí)序到IDT7202的復(fù)位、寫(xiě)和讀端口，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到FIFO的存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)從FIFO讀入FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)器。一旦延時(shí)滿(mǎn)足，F(xiàn)PGA就輸出寫(xiě)時(shí)序給FIFO的寫(xiě)端口(nW)，同時(shí)檢測(cè)FIFO的nFF(Full Flag)信號(hào)。若該信號(hào)為低，則說(shuō)明FIFO已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)1 024個(gè)半字(16位)。此時(shí)，F(xiàn)PGA輸出讀時(shí)序給該組FIFO，同時(shí)輸出寫(xiě)時(shí)序給另一組FIFO，以不間斷地存儲(chǔ)A／D采樣數(shù)據(jù)。

這部分電路在硬件實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單，IDT7202的輸出數(shù)據(jù)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片IDT74LVC16245輸出給FPGA，F(xiàn)PGA輸出控制時(shí)序到FIFO。由于FPGA輸出邏輯"1"時(shí)的最低電壓Uoh為2．4 V，輸出邏輯"0"時(shí)的最高電壓Uol為0．4 V，而IDT7202輸入邏輯"1"時(shí)的最低電壓為2．2 V，輸入邏輯"0"時(shí)的最高電壓為0．8 V，所以FPGA到FIFO的控制時(shí)序無(wú)須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，控制端口可以直接相連。

系統(tǒng)中FPGA輸出完全符合FIFO讀寫(xiě)時(shí)序的脈沖，控制FIFO的讀寫(xiě)操作。圖4是仿真波形圖。

IDT7202的異步讀寫(xiě)操作時(shí)序如圖5所示。

表1是IDT7202異步讀寫(xiě)操作時(shí)序的參數(shù)及說(shuō)明。

當(dāng)FPGA檢測(cè)到in_ff_n_1為低時(shí)，fifo_ff_pulse就產(chǎn)生一個(gè)50 ns的高脈沖；檢測(cè)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(shí)序；同時(shí)out_wr_n_1輸出有效寫(xiě)時(shí)序。寫(xiě)時(shí)序以1 MHz的頻率輸出持續(xù)100ns低電平的脈沖；讀時(shí)序低電平持續(xù)100 ns，高電平持續(xù)50 ns。FPGA根據(jù)out_FPGA_rd信號(hào)來(lái)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(jì)

數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA做算法處理后，由SEP3203處理器將結(jié)果存儲(chǔ)到片外SDRAM中，SDRAM使用的是Winbond公司的W981216BH。硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

SEP3203對(duì)FPGA的訪(fǎng)問(wèn)遵循SRAM時(shí)序，圖7為SEP3203讀數(shù)據(jù)時(shí)的信號(hào)仿真波形圖。

通過(guò)DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，in_cs_n和in_rd_n信號(hào)一直為低，所以只有通過(guò)in_addr信號(hào)來(lái)控制FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)器地址。處理后的A／D數(shù)據(jù)擴(kuò)展為32位。

SEP3203處理器默認(rèn)的AHB總線(xiàn)寬度是32位。當(dāng)使用DMA傳輸時(shí)，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(xiàn)的物理寬度，DMAC會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇虬徒獍詽M(mǎn)足AHB總線(xiàn)寬度。由于FPGA與SEP3202處理器之間只有16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，所以設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流水線(xiàn)操作，使用了EP1C6Q240C8中的PLL模塊。FPGA的外部晶振頻率為20 MHz，PLL提供70 MHz的時(shí)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(gè)16位數(shù)據(jù)的時(shí)間為(1／div_clk)×1024，數(shù)據(jù)從FIFO讀入到結(jié)果輸出的時(shí)間為580μs左右，所以當(dāng)用1．7 MHz以下的頻率采樣A／D數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)工作正常。若需要更高的A／D采樣頻率，則可通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)了單周期數(shù)據(jù)讀／寫(xiě)，可以提供比外存高得多的性能(0．89 MIPS／MHz)，極大地縮短了軟件執(zhí)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能。

6 總結(jié)

本文給出了SEP3203處理器的FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)，限于篇幅，具體的硬件電路和軟件源代碼未能詳細(xì)列出。目前，該系統(tǒng)已在東南大學(xué)ASIC中心GE02實(shí)驗(yàn)板上調(diào)試通過(guò)，可以正常工作。