在FPGA中利用IP核實現(xiàn)SOC系統(tǒng)中的串口收發(fā)接口的設(shè)計

1、概述

在基于FPGA的SOC設(shè)計中，常使用串口作為通信接口，但直接用FPGA進(jìn)行串口通信數(shù)據(jù)的處理是比較繁雜的，特別是直接使用FPGA進(jìn)行串口通信的協(xié)議的解釋和數(shù)據(jù)打包等處理，將會消耗大量的FPGA硬件資源。為簡化設(shè)計，降低硬件資源開銷，可以在FPGA中利用IP核實現(xiàn)的嵌入式微處理器來對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本文中的設(shè)計采用了XILINX的FPGA，可選用的嵌入式微處理器IP核種類繁多，但基于對硬件資源開銷最少的考慮，最終選用了Picoblaze。

嵌入式微處理器PicoBlaze適用于Spartan-II/E、CoolRunner-II和Virtex系列FPGA，運行速度可達(dá)到40MIPS以上，提供49個不同的指令，16個寄存器，256個地址端口，1個可屏蔽的中斷。其性能超過了傳統(tǒng)的8bit微處理器。

Picoblaze使用靈活，但其缺點是可尋址的存儲空間非常有限，因此為滿足實際需要本文同時也提出了使用片外SDRAM器件對其存儲能力進(jìn)行擴(kuò)展的設(shè)計方法。

2、串口收發(fā)接口設(shè)計

2.1串口收發(fā)接口硬件設(shè)計

嵌入式微處理器PicoBlaze本身并不具備串行接口，因此必須在FPGA中設(shè)計串口接收和發(fā)送模塊并通過總線結(jié)構(gòu)與Picoblaze連接。

串口接收和發(fā)送模塊的設(shè)計可采用成熟的IP核。實際設(shè)計中采用了XLINX的串口收發(fā)IP核，其特點是串口波特率，符號規(guī)則都可以靈活地定制，同時具有16字節(jié)的接收FIFO和16字節(jié)的發(fā)送FIFO。

使用Picoblaze和串口收發(fā)IP核構(gòu)成的串口收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

在設(shè)計中，發(fā)送模塊、接收模塊和標(biāo)志寄存器分別有不同的地址，Picoblaze通過地址端口對串口收發(fā)模塊進(jìn)行訪問。設(shè)計中的標(biāo)志寄存器，可用于指示發(fā)送模塊和接收模塊中FIFO的狀態(tài)，Picoblaze通過查詢標(biāo)志寄存器來完成對串口數(shù)據(jù)的收發(fā)控制。

2.2串口收發(fā)接口軟件設(shè)計

串口發(fā)送、接收子程序

Picoblaze通過對標(biāo)志寄存器的查詢，根據(jù)FIFO的狀態(tài)進(jìn)行操作。串口發(fā)送和接收子程序流程見圖2。

Picoblaze的編程，類似于匯編語言。

串口發(fā)送子程序代碼如下：

（1）串口接收子程序

receive：

INPUT s0，uartrxflag;查詢接收FIFO是否非空

AND s0，01

AND s0，s0

JUMP Z，receive;若FIFO為空時繼續(xù)查詢

INPUT rxdata，uartrx;若FIFO非空時讀取數(shù)據(jù)

RETURN

（2）串口接收子程序

translate：

INPUT s0，uarttxflag;查詢發(fā)送FIFO是否為空

AND s0，01

AND s0，s0

JUMP NZ，translate;若發(fā)送FIFO非空時繼續(xù)查詢

OUTPUTtxdata，uarttx;若發(fā)送FIFO為空時寫入數(shù)據(jù)

RETURN

協(xié)議處理子程序

本文應(yīng)用中的串口通信，采用應(yīng)答機(jī)制，數(shù)據(jù)具有一定的幀結(jié)構(gòu)，Picoblaze需要對命令幀進(jìn)行拆包處理，并根據(jù)幀的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后發(fā)送響應(yīng)幀。

根據(jù)幀格式，Picoblaze對串口數(shù)據(jù)的處理流程見圖3。

以上的Picoblaze程序流程所處理的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)是較為簡單的，當(dāng)需要處理復(fù)雜的通信協(xié)議時可以考慮采用多個Picoblaze并行處理。

3存儲器接口設(shè)計

Picoblaze的優(yōu)點是資源占用少，使用靈活，但可尋址的地址空間最多為256字節(jié)，無法滿足對大量通信數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的需要。因此本文中采用了SDRAM器件來對Picoblaze的存儲能力進(jìn)行擴(kuò)展。

SDRAM器件的管腳分為控制信號、地址和數(shù)據(jù)三類。通常一個SDRAM中包含幾個BANK，每個BANK的存儲單元是按行和列尋址的。SDRAM的具體特性見參考文獻(xiàn)［3］。

SDRAM在使用時需要專用的控制器來產(chǎn)生滿足SDRAM所需的信號。FPGA中SDRAM控制器也有多種IP核可以選用。出于對設(shè)計通用性的考慮，本文中采用了一款Altera提供的SDRAM控制器IP核，并增加了必要的設(shè)計以滿足與Picoblaze的接口要求。SDRAM控制器IP核的功能、原理見參考文獻(xiàn)［4］。

對Picoblaze與SDRAM控制器的接口設(shè)計有以下幾個出發(fā)點：

總線匹配

Picoblaze為8位處理器，數(shù)據(jù)線僅8bit，而SDRAM控制器總線寬度與SDRAM相同，可以為8、16或32bit。因此對于SDRAM控制器的數(shù)據(jù)Picoblaze必須以字節(jié)為單位進(jìn)行處理。

地址控制

Picoblaze地址線僅8位，無法直接對SDRAM進(jìn)行尋址。因此Picoblaze對SDRAM的尋址可借鑒先入先出存儲器FIFO的設(shè)計，即設(shè)計專門的地址計數(shù)器，通過地址計數(shù)器實現(xiàn)對SDRAM的尋址。

時序匹配

Picoblaze的運行速度不超過40MHz，而SDRAM的工作速度通常大于100MHz。因此為了滿足SDRAM的時序要求，要增加必要的緩沖機(jī)制。

3.1存儲器接口硬件設(shè)計

Picoblaze與SDRAM存儲器接口的硬件原理框圖見圖4。

控制狀態(tài)機(jī)控制的地址計數(shù)器為SDRAM控制器提供地址，同時控制狀態(tài)機(jī)還控制輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并且根據(jù)Picoblaze的地址端口數(shù)據(jù)和讀/寫使能信號產(chǎn)生SDRAM控制器的命令字。

（1）SDRAM初始化

每次加電或復(fù)位后控制狀

態(tài)機(jī)執(zhí)行對SDRAM控制器的初始化操作，設(shè)置SDRAM的時間參數(shù)和刷新周期等。

（2）數(shù)據(jù)寫入SDRAM

輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)由16×8bit的FIFO構(gòu)成，當(dāng)Picoblaze向輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫入超過8個字節(jié)后，通過“半滿”信號使控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SDRAM的長度為8的突發(fā)寫模式，在寫入完成后控制狀態(tài)機(jī)將地址計數(shù)器增加8，以準(zhǔn)備好下一次的寫入。

（3）數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取時Picoblaze首先向控制狀態(tài)機(jī)發(fā)送讀取請求，控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SDRAM的長度為1的突發(fā)讀模式，并將讀取的數(shù)據(jù)寫入輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此后Picoblaze再由輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。在讀取后，地址計數(shù)器做相應(yīng)的增加，以實現(xiàn)先入先出功能。

以上的設(shè)計方法適用于需要數(shù)據(jù)連續(xù)寫入后再連續(xù)讀取的場合。

控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖見圖5。

3.2存儲器接口軟件設(shè)計

由于在SDRAM控制器與Picoblaze之間增加了控制狀態(tài)機(jī)，簡化了Picoblaze的程序設(shè)計。

（1）數(shù)據(jù)寫入

數(shù)據(jù)寫入時Picoblaze向輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)直接寫入數(shù)據(jù)即可。

（2）數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取時Picoblaze首先向控制狀態(tài)機(jī)發(fā)出請求，然后等待輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就續(xù)后再讀取。

4結(jié)論

本文在XILINX FPGA中采用嵌入式處理器Picoblaze進(jìn)行SOC設(shè)計，以較少的硬件資源實現(xiàn)了對串口通信數(shù)據(jù)的處理，同時采用SDRAM器件對Picoblaze的存儲能力進(jìn)行擴(kuò)展。所采用的設(shè)計已應(yīng)用于多個產(chǎn)品中。經(jīng)過了長期的使用和測試證明文中的設(shè)計方法穩(wěn)定、可靠，并且具有資源占用少，設(shè)計靈活的優(yōu)點。