不用處理器控制FPGA總線的方法

許多FPGA設(shè)計(jì)使用嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)控制。典型的解決方案是使用Nios這樣的軟處理器，雖然內(nèi)置硬處理器的FPGASoC也變得很流行了。圖1顯示的是一個(gè)典型的Altera FPGA系統(tǒng)，其中包含了處理器和通過Altera的Avalon內(nèi)存映射(MM)總線連接的各種外設(shè)。這些處理器極大地簡(jiǎn)化了終端應(yīng)用，但要求很強(qiáng)的編程背景和復(fù)雜的工具鏈知識(shí)。這將妨礙調(diào)試，特別是當(dāng)硬件工程師不想求助軟件工程師，只需要一種簡(jiǎn)單的方式讀寫外設(shè)時(shí)。

圖1：使用Avalon內(nèi)存映射總線連接的典型Altera FPGA系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)實(shí)例使用Altera的SPI Slave to Avalon MM橋?qū)崿F(xiàn)了一種掛接到Avalon總線的簡(jiǎn)單方法。這種技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：它不會(huì)影響原始系統(tǒng)設(shè)計(jì)，橋可以與嵌入式處理器共存。對(duì)于圖1所示的系統(tǒng)來說，這種SPI橋允許工程師直接控制LTC6948小數(shù)分頻鎖相環(huán)的頻率、設(shè)置LTC1668數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電壓、讀取LTC2498模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓或讀取LTC2983的溫度，就像處理器那樣。

圖2：高亮部分+例子代碼+反向工程=Python腳本。

Altera為SPI-Avalon MM橋提供了參考設(shè)計(jì)。遺憾的是，相關(guān)文檔非常少，并且將Nios處理器用作SPI主器件。這其實(shí)有違使用SPI橋的初衷，因?yàn)镹ios可以直接連接Avalon MM總線。實(shí)用性的SPI主器件是凌力爾特公司的Linduino微控制器，它是Arduino處理器的的克隆版本，不過增加了連接LT演示板的接口等額外功能。其中一個(gè)額外功能是電平轉(zhuǎn)換SPI端口。當(dāng)連接電壓低至1.2V的FPGA I/O組時(shí)這個(gè)電平轉(zhuǎn)換功能特別有用。Linduino固件可以用來接受來自虛擬COM端口的命令，并將命令翻譯成SPI處理內(nèi)容。 在對(duì)Altera設(shè)計(jì)例子進(jìn)行反向工程后(圖2)就能得到一個(gè)Python庫(kù)，接著創(chuàng)建SPI橋可以接受的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包隨后被翻譯成Linduino命令。Python腳本隨后允許硬件工程師完全控制整個(gè)項(xiàng)目，無需重新開發(fā)接口協(xié)議。LinearLabToolsPhython文件夾中提供了幫助LTC1668數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制數(shù)字圖案發(fā)生器頻率的Python腳本例子。圖3顯示了演示裝置。
圖3：插入FPGA電路板(左)的DC2459數(shù)模轉(zhuǎn)換器演示板(右)。

圖4顯示了系統(tǒng)框圖。注意，數(shù)字控制振蕩器(NCO)可以由移位寄存器或PIO內(nèi)核進(jìn)行控制。移位寄存器用于調(diào)試，因?yàn)樗梢灾苯涌刂芅CO。將GPIO線置高將激活SPI-Avalon橋，進(jìn)而控制Avalon總線上的32位PIO端口。PIO輸出隨即用于控制NCO頻率。

圖4：FPGA系統(tǒng)框圖

借助基本的一些系統(tǒng)操作，可以將額外的外設(shè)內(nèi)核連接到總線上。為了幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Altera提供了一款名為Qsys的工具，它提供了連接各個(gè)IP的圖形用戶界面(GUI)。Qsys可以將GUI設(shè)計(jì)的系統(tǒng)(圖5)翻譯為HDL。外設(shè)地址是完全可配置的。在這個(gè)案例中，PIO被設(shè)為基地址0x0。

圖5：Qsys GUI

當(dāng)設(shè)計(jì)在FPGA中實(shí)現(xiàn)后，LinearLabTools中提供的Python庫(kù)包含的兩個(gè)函數(shù)就能連接到設(shè)計(jì)：
transaction_write(dc2026, base, write_size, data) transaction_read(dc2026, base, read_size)
這些函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是Linduino的串口實(shí)例。第二個(gè)參數(shù)是Avalon總線上的外設(shè)地址。這兩個(gè)函數(shù)分別用于接收和返回字節(jié)列表。當(dāng)讀寫IP時(shí)這兩個(gè)函數(shù)具有一定的靈活性。為了設(shè)置給定例子的NCO，只需要transaction_write一個(gè)函數(shù)。公式1用于確定調(diào)節(jié)字。

要將NCO設(shè)為1kHz并具有50MSPS采樣率，調(diào)節(jié)字的值需要設(shè)為85899或0x00014F8B，并按4個(gè)字節(jié)一起傳送。這樣，將數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)為1kHz的Python代碼是： transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0, 0x01, 0x4F, 0x8B])

圖6：Python Avalon總線例子

圖6中的Python腳本描述了用于配置NCO的簡(jiǎn)單文本接口。值得一提的是：SPI橋使用SPI模式3。這是通過不斷的試錯(cuò)，并通過分析Altera例子中的Nios處理器的SPI接口驗(yàn)證后才確定的模式。 本設(shè)計(jì)實(shí)例提供了一種無需使用嵌入式處理器就能控制系統(tǒng)的方法，它能幫助硬件工程師在不打擾軟件工程師的情況下搞定一個(gè)項(xiàng)目，并且對(duì)硬件設(shè)計(jì)的影響最小。