一種基于FPGA核系統(tǒng)的智能429-422信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種智能信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)方法。這種智能模塊采用了基于FPGA嵌入式軟核系統(tǒng)，是基于NiosII軟核處理器的架構(gòu)，可以在模塊上完全實(shí)現(xiàn)外部總線信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換，無(wú)需驅(qū)動(dòng)程序或操作系統(tǒng)的干預(yù)。同時(shí)對(duì)用戶邏輯設(shè)計(jì)、用戶邏輯集成、固件設(shè)計(jì)技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；軟核；智能

0 引言
    在工業(yè)控制等領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛涉及到信號(hào)轉(zhuǎn)換等，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)著在多種信號(hào)之間進(jìn)行翻譯轉(zhuǎn)換的任務(wù)。隨著應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜性、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成度的提高，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊上需容納的信號(hào)通道的種類與數(shù)量也越來(lái)越多。頻繁、大量的信號(hào)轉(zhuǎn)換必然會(huì)占用較多的系統(tǒng)資源。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外的一些生產(chǎn)廠商如Altera已推出在FPGA上以軟核(soft core)方式實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)。這種嵌入式系統(tǒng)基于NIOS II嵌入式軟核處理器，其外設(shè)可以靈活選擇增刪，并允許自定制外設(shè)。本文介紹了一種基于NIOSⅡ軟核系統(tǒng)的智能429-422信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)原理
    傳統(tǒng)的非智能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換模塊，在工作時(shí)需要有驅(qū)動(dòng)程序的控制，通過(guò)與操作系統(tǒng)或用戶軟件的交互，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，亦即需要接入PCI Bus等系統(tǒng)總線，通過(guò)中斷提請(qǐng)等方式工作，在轉(zhuǎn)換通道數(shù)量多時(shí)，必然會(huì)影響系統(tǒng)的性能。采用智能設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊一般不需要操作系統(tǒng)的干預(yù)，接收到的外部總線信號(hào)經(jīng)過(guò)本模塊上NIOS II軟核系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，即可將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作全部由模塊的硬件完成，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的零占用。采用非智能設(shè)計(jì)與智能設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)示意框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    429或422總線適配電路已有大量成熟的設(shè)計(jì)，本文不再贅述，僅重點(diǎn)介紹FPGA內(nèi)部總線控制邏輯設(shè)計(jì)以及NiosⅡ軟核系統(tǒng)的配置。

2．1 FPGA控制邏輯設(shè)計(jì)
    集成于FAPGA內(nèi)部的Nios II CPU需要通過(guò)外部總線控制邏輯才能與外部總線進(jìn)行通信，而Avalon總線是Nios II CPU與外部總線控制邏輯、片外FLASH、SRAM之間交換數(shù)據(jù)信號(hào)的樞紐。Avalon總線是一種協(xié)議較為簡(jiǎn)單的片內(nèi)總線，在NiosⅡ系統(tǒng)中，外設(shè)都是通過(guò)Avalon總線與Nios II CPU相接的。Avalon總線接口可以分成兩類：Slave和Master，Slave和Master主要區(qū)別是對(duì)于Avalon總線控制權(quán)的掌握。Master接口具有與之相接的Avalon總線的控制權(quán)，而Slave接口是被動(dòng)的。Avalon總線支持自定制外設(shè)，用戶可將自己的邏輯設(shè)計(jì)掛接到Avalon總線上?；贜IOSⅡ軟核系統(tǒng)的智能429-422信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)的詳細(xì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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2．1．1 串行總線控制邏輯設(shè)計(jì)
    為了將用戶自定制的串行總線控制邏輯接入NiosⅡ系統(tǒng)，必須將其掛入Avalon總線。串行總線控制邏輯在設(shè)計(jì)上必須實(shí)現(xiàn)兩類端口：一類為Avalon總線端口，Avalon總線時(shí)序由NiosⅡ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，用戶在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)可暫不作考慮；另一類為串行總線控制端口。串行總線讀操作時(shí)序如圖3所示，圖中給出了操作時(shí)各信號(hào)的時(shí)序保持關(guān)系。

    讀時(shí)序在設(shè)計(jì)上可以抽象為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，如圖4所示。其工作流程為：無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，狀態(tài)機(jī)停留在空閑狀態(tài)；若有數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入“地址有效”的狀態(tài)；再進(jìn)入“讀信號(hào)有效”狀態(tài)，依次完成“數(shù)據(jù)讀取”、“操作安全間隔”狀態(tài)(FPGA片外器件要求的兩次操作之間的最小間隔)。考慮到異常產(chǎn)生后狀態(tài)機(jī)的穩(wěn)定性，每個(gè)狀態(tài)都可以在異常產(chǎn)生時(shí)返回到默認(rèn)的“空閑”狀態(tài)。同時(shí)，有些狀態(tài)作了些等待延時(shí)，是為了讓控制邏輯與FPGA外部較慢速的器件進(jìn)行時(shí)序匹配。串行總線寫操作時(shí)序與讀操作時(shí)序相類似。

2．1．2 429總線控制邏輯設(shè)計(jì)
    429總線控制邏輯設(shè)計(jì)和串行總線控制邏輯設(shè)計(jì)方法與上文所述類似，這里不再重復(fù)。

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2．2 NiosIICPU的配置
    需要將自定制外設(shè)集成進(jìn)嵌入式系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)所使用的FPGA是Altera公司的EP2C35，可在Altera公司推出的開發(fā)軟件Quartus II里對(duì)NiosⅡCPU進(jìn)行配置。操作步驟為：在System contents中新建一個(gè)組件，在彈出的Component Editor窗口中的HDL Files欄中導(dǎo)入用戶設(shè)計(jì)好的422接口控制邏輯設(shè)計(jì)的verilog文件；Signals一欄中，Component Editor已自動(dòng)解析出導(dǎo)入的verilog文件所包含的端口Name，但用戶還需對(duì)端口的類型進(jìn)行指定，串行總線方向的端口須指定為export(相對(duì)于Avalon Slave端口而言)類型，Avalon總線方向的端口分別指定為標(biāo)準(zhǔn)的address、write、read、writedata、readdata等信號(hào)，如圖5所示。

    設(shè)置完成后的自定制器件出現(xiàn)在Custom Devices中，可以將自定制的器件加入到Nios Ⅱ系統(tǒng)中，由Nios Ⅱ系統(tǒng)為其自動(dòng)批定內(nèi)存地址等資源。編譯無(wú)誤后即可完成NiosII CPU的設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)
    Nios II嵌入式系統(tǒng)使用Altera公司提供的開發(fā)環(huán)境Nios Ⅱ IDE，Nios II IDE使用標(biāo)準(zhǔn)的C／C++語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，因此開發(fā)入門門檻不高。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，除了包含指定的system．h，alt_main．h等頭文件，用戶應(yīng)針對(duì)被集成進(jìn)入系統(tǒng)的自定制器件編寫相應(yīng)的頭件，即將Al-tera提供的基本命令重新封裝成用戶自定義的軟件命令，以使用戶的程序更加直觀、更具有可讀性。

    軟件流程圖如圖6示。在每次上電復(fù)位后，智能模塊應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新初始化，包括外設(shè)控制字的配置以及緩存初始化等工作。初始化完成后，應(yīng)首先檢查有無(wú)接收請(qǐng)求，如有請(qǐng)求，則開始接收、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并寫入發(fā)送緩存，然后再判斷一次有無(wú)接收請(qǐng)求，如無(wú)，才轉(zhuǎn)入發(fā)送流程。發(fā)送完一次數(shù)據(jù)后，再次檢查接收請(qǐng)求。這種做法提高了數(shù)據(jù)接收事件的優(yōu)先權(quán)，可以保證接收數(shù)據(jù)不丟失。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于NIOSⅡ軟核系統(tǒng)的智能429-422信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用了智能化的設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)比于非智能信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，具有零系統(tǒng)資源占用、可配置性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，同時(shí)由于無(wú)須開發(fā)驅(qū)動(dòng)軟件，因而明顯縮短了研發(fā)周期，在工業(yè)控制等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中將會(huì)有廣泛的應(yīng)用。