基于SOPC的自定義外設(shè)FIFO

摘要：以Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q208C8為例，詳細(xì)介紹了在QuartusII 7．2的環(huán)境下，用SOPC Builder構(gòu)建Nios軟核時(shí)，自定義FIFO接口元件的方法。通過將采集到的電壓信號(hào)，在數(shù)碼管上顯示的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)FIFO寄存器與Nios CPU之間的通信。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA；Nios；先進(jìn)先出；可編程片上系統(tǒng)Builder

0 引言
    隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)已進(jìn)入片上系統(tǒng)時(shí)代。從而又發(fā)展了SOPC(可編程片上系統(tǒng))，SOPC是Altera 公司提供的片上可編程系統(tǒng)解決方案。Nios嵌入式處理器是Altera公司推出的軟核CPU，提供給用戶，并在Altera的FPGA上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，用于 SOPC集成
并在FPGA上實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)大范圍。
    自定義外設(shè)是SOPC系統(tǒng)靈活性的重要體現(xiàn)，是SOPC系統(tǒng)中極其重要的一種設(shè)計(jì)方法。在大量的數(shù)據(jù)常需要處理時(shí)，利用自定義外設(shè)由具體的硬件來實(shí)現(xiàn)，可以極大程度地提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度，同時(shí)便于系統(tǒng)的模塊化與集成化，是SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。定制的用戶外設(shè)能夠以“硬件加速器”的形式實(shí)現(xiàn)各種各樣用戶要求的功能。

1 定制Avalon總線型FIFO接口元件
    由于選用的AD采樣速率非常高，并且只由時(shí)鐘控制端控制，因此設(shè)計(jì)時(shí)在AD采集模塊和Nios CPU之間加一個(gè)FIFO存儲(chǔ)器，從系統(tǒng)外部接口送來的數(shù)據(jù)先在FIFO中緩存，然后將數(shù)據(jù)讀入SDRAM，在片上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)流程在FPGA平臺(tái)上采用SOPC方法實(shí)現(xiàn)。在SOPC Builder中只有廠商提供的片上FIFO接口控制器，沒有外部使用的FIFO接口控制器核，因此需要用戶自定義FIFO接口控制器，這樣才能滿足系統(tǒng)外圍電路的應(yīng)用要求。文中采用創(chuàng)建元件配置向?qū)Фㄖ艶IFO接口元件的方法。

2 用戶自定義IP核的開發(fā)流程
    自定義外設(shè)作為NiosII軟核處理器超強(qiáng)靈活性的體現(xiàn)，它的開發(fā)要遵循一定的規(guī)律。一個(gè)用戶自定義外設(shè)必須用硬件描述語言來描述硬件的邏輯。用戶自定義IP按照對(duì)Avalon總線操作的不同可分為Avalon Master、Avalon Slaver和Avalon Streaming外設(shè)。由于Avalon Master和Avalon Streaming外設(shè)的開發(fā)比Avalon Slave外設(shè)要復(fù)雜，所以用戶開發(fā)的外設(shè)大部分為Avalon Slave外設(shè)，但是開發(fā)流程是一樣的。典型的Avalon外設(shè)的開發(fā)步驟如下：
    (1)規(guī)劃元件的硬件功能。若采用微控制器控制該元件，則規(guī)劃訪問該硬件的應(yīng)用程序接口(API)；
    (2)在硬件和軟件要求的基礎(chǔ)上，定義一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕涌?一般為Avalon Slave端口)；
    (3)使用硬件描述語言描述硬件邏輯。一個(gè)典型元件的硬件架構(gòu)一般由接口模塊、寄存器文件模塊和行為模塊3部分組成。接口模塊作為頂層模塊，定義總線接口信號(hào)；寄存器文件模塊完成該元件與外部信號(hào)的通信，提供訪問與控制元件的邏輯界面；行為模塊實(shí)現(xiàn)元件的硬件功能。片上總線Avalon從端口的信號(hào)都不是必須的，一個(gè)典型的Avalon從端口所包含的信號(hào)如表1所示。


    (4)單獨(dú)驗(yàn)證元件的硬件功能；
    (5)寫用于描述寄存器的C頭文件為軟件定義硬件寄存器映像；
    (6)寫元件的驅(qū)動(dòng)軟件；
    (7)把通過測(cè)試的源代碼使用元件編輯器封裝硬件HDL和軟件文件，完成元件定制。
3 自定義FIFO接口的開發(fā)
3．1 硬件構(gòu)建
3．1．1 接口模塊的設(shè)計(jì)
    根據(jù)FIFO的功能需要，該模塊所需的Avalon總線輸入信號(hào)為clk、reset n、data、full、empty信號(hào)，而模塊輸出則為rdclk、rdreq、wrreq信號(hào)。該接口模塊定義了總線接口信號(hào)，作為頂層模塊。
    Avalon總線接口設(shè)計(jì)文件的端口說明部分如下：
   
3．1．2 寄存器文件模塊
    寄存器文件模塊實(shí)現(xiàn)與外部信號(hào)的通信，提供了訪問與控制元件界面。在寄存器文件中，Avalon總線的地址信號(hào)有兩位，00表示讀取數(shù)據(jù)寄存器，O1表示讀取狀態(tài)寄存器，10表示寫控制寄存器，address的11保留。在片選和讀信號(hào)的控制下，分別讀數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器。在片選和寫信號(hào)的控制下，向控制寄存器寫入數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
3．1．3 行為模塊
    行為模塊實(shí)現(xiàn)元件的硬件功能，當(dāng)寫請(qǐng)求(wrreq)信號(hào)有效時(shí)，向數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)讀請(qǐng)求(rdreq)信號(hào)有效時(shí)，讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。在QuartusⅡ7．2環(huán)境下，基于EP2C20Q240C8器件的FIFO接口的仿真波形如圖1所示。


3．2 FIFO接口模塊的添加
    在Quartus II工程中打開SOPC Builder，在SOPC Builder界面的左欄中點(diǎn)擊Create new component打開創(chuàng)建元件向?qū)В瑥棾鯟omponent Editor，在HDL Files選項(xiàng)卡中添加HDL文件(FIFO interface．vhd)，并將其設(shè)置為頂層模塊。在Signals選項(xiàng)卡中出現(xiàn)FIFO interface中定義的信號(hào)。若出現(xiàn)紅色字體表示錯(cuò)誤，需要將其接口類型修改一下，如reset n被指定為clock類型，傳輸方向?yàn)閕nput，數(shù)據(jù)寬度為1，read-data被指定為avalon_slave類型，傳輸方向?yàn)閛utput，數(shù)據(jù)寬度為32，data被指定為export類型，傳輸方向?yàn)閑xport，數(shù)據(jù)寬度為32，等等。修改完之后，F(xiàn)IFO的地址對(duì)齊方式選擇動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊"Mermory(use dynamic bussizing)"。時(shí)序設(shè)置也很重要，設(shè)置不當(dāng)會(huì)造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤傳輸。系統(tǒng)FIFO的讀寫時(shí)鐘為50MHz，周期為20ns，設(shè)定建立時(shí)間為 1ns，將所有設(shè)置設(shè)置完之后進(jìn)行保存。保存完之后在該工程目錄下會(huì)出現(xiàn)FIFO_interface_hw．tcl文件，F(xiàn)IFO控制器接口就出現(xiàn)在左欄中，若想在其它工程中使用該控制器，最簡(jiǎn)單的方法是將FIFO_inter-face．vhd、FIFO interface hw．tcl在FIFO interface hw．tcl～放在一個(gè)文件夾里，并將此文件夾放在QuartusⅡ的安裝目錄的ip文件夾中。
3．3 Nios CPU模塊
    搭建好SOPC框架之后，生成CPU原理圖模塊如圖2所示。其中第二部分就是FIFO接口文件生成的模塊圖，包括輸入信號(hào)(data、 empty、full)和輸出信號(hào)(rdclk、rdreq、wrreq)。兩個(gè)PIO接口con和seg，分別用作數(shù)碼管的位選通和段選通。



4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括寄存器頭文件、驅(qū)動(dòng)軟件及測(cè)試程序的設(shè)計(jì)。寄存器頭文件FIFO reg．h定義了對(duì)FIFO進(jìn)行讀寫操作的宏。IORD和IOWR是硬件抽象層提供的兩個(gè)訪問寄存器的C語言宏。下面代碼是對(duì)FIFO的數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器進(jìn)行讀寫操作的宏。
    驅(qū)動(dòng)軟件包括FIFO．h和FIFO．c文件。FIFO．h定義了驅(qū)動(dòng)函數(shù)的原型和常量，F(xiàn)IFO．c則實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的功能。FIFO．c中定義了一個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示的功能。例如采集到電壓值為5V電壓時(shí)，數(shù)碼管上顯示5．00。

5 結(jié)束語
    本文通過介紹基于SOPC的自定義FIFO接口的詳細(xì)過程，用戶可以在SOPC設(shè)計(jì)環(huán)境下自定義任意接口控制器。定制元件是SOPC Builder靈活性的重要體現(xiàn)，大大擴(kuò)展了NiosⅡ系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。本設(shè)計(jì)采用VHDL語言編寫SOPC用戶自定義邏輯模塊，實(shí)現(xiàn)FIFO接口控制器的設(shè)計(jì)，此模塊已經(jīng)成功地在FFGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與Nios CPU之間的通信。通過創(chuàng)建元件配置向?qū)Фㄖ?strong>FIFO接口元件的方法，對(duì)定制元件的設(shè)計(jì)具有較好的借鑒作用。