如何實(shí)現(xiàn)FPGA接口的簡化設(shè)計(jì)？

許多新式 FPGA 設(shè)計(jì)采用了一些用于控制的嵌入式處理器。一種典型解決方案需要使用諸如 NIOS 等嵌入式軟處理器。另一種解決方案則使用包含一個(gè)內(nèi)置硬處理器的 SoC 器件。圖 1 示出了一個(gè)典型的 Altera FPGA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含處理器和一系列通過 Avalon 內(nèi)存映射 (MM) 總線連接的外設(shè)。這些處理器極大地簡化了最終應(yīng)用，但是要求開發(fā)人員擁有堅(jiān)實(shí)的編程背景和精細(xì)復(fù)雜工具鏈的相關(guān)知識。這會阻礙調(diào)試工作的推進(jìn)，特別是如果硬件工程師需要一種不會煩擾軟件工程師即可完成外設(shè)讀寫的簡單方法。

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

該設(shè)計(jì)思想運(yùn)用了 Altera 的 SPI 從端至 Avalon MM 橋接器，以提供一種跳上 Avalon 總線的簡單方法。采用這種方法有兩項(xiàng)優(yōu)勢：它并未損害原始系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且該橋接器能夠與嵌入式處理器共存。對于圖 1 中所示的系統(tǒng)，SPI-Avalon MM 橋接器將允許設(shè)計(jì)師直接控制 LTC6948 分?jǐn)?shù) N PLL 的頻率，設(shè)定 LTC1668 DAC 電壓，從 LTC2498 讀取一個(gè)電壓，或者從 LTC2983 讀取溫度，就像處理器一樣。

圖 2：熒光筆 + 示例代碼 + 反向工程 = Python 腳本

Altera 提供了一款針對 SPI-Avalon MM 橋接器的參考設(shè)計(jì)。不幸的是，文檔充其量是稀少的，并且使用一個(gè) NIOS 處理器作為 SPI 主控器。這實(shí)際上違背了 SPI 橋接器的初衷，因?yàn)?NIOS 處理器可直接連接至 Avalon MM 總線。一款實(shí)用的 SPI 主控器是凌力爾特的 Linduino?微控制器，它是具有附加特性的 Arduino 克隆產(chǎn)品，以與 LT 演示板相連接。附加特性之一是電平移位 SPI 端口。當(dāng)連接至具有低至 1.2V 電壓的 FPGA I/O 塊時(shí)，這種電平移位功能是特別有幫助的。Linduino 固件可用于通過一個(gè)虛擬 COM 端口接受命令并把命令轉(zhuǎn)化為 SPI 事務(wù)處理。

在對 Altera 實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)施了反向工程之后 (圖 2 的左側(cè))，開發(fā)一個(gè) Python 庫以生成橋接器將要接受的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包隨后被轉(zhuǎn)化為 Linduino 命令。這樣，一個(gè)簡單的 Python 腳本使得硬件工程師能夠全面地控制項(xiàng)目，并不需要徹底改變接口協(xié)議。在 LinearLabTools Python 文件夾中提供了一個(gè)控制用于 LTC1668 DAC 的數(shù)字圖形發(fā)生器之頻率的 Python 腳本實(shí)例，可登錄獲取。圖 3 示出了演示設(shè)置。

圖 3：DC2459 在工作中

圖 4 給出了 FPGA 系統(tǒng)的方框圖。請注意，數(shù)控振蕩器 (DCO) 可由移位寄存器或 PIO 內(nèi)核來控制。內(nèi)置移位寄存器用于調(diào)試，因?yàn)樗峁┝?NCO 的直接控制。把 GPIO 線邏輯電平設(shè)定為“高”將使能 SPI-Avalon MM 橋接器，該橋接器接著通過 Avalon MM 總線控制一個(gè) 32 位 PIO 端口。然后，PIO 輸出控制 NCO 頻率。

圖 4：DC2459A FPGA 系統(tǒng)方框圖

當(dāng)最基本的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以把額外的 Avalon 外設(shè) IP 內(nèi)核連接至 Avalon MM 總線。為了設(shè)計(jì)系統(tǒng)，Altera 提供了一款被稱為 Qsys 的系統(tǒng)集成工具。這款工具提供一個(gè) GUI 以相互連接 IP。Qsys 隨后被用于把 GUI 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為硬件描述語言 (HDL) Verilog。圖 5 示出了該 GUI。最后，系統(tǒng)將被添加至用于實(shí)施的頂層。IP 的地址是完全可配置的。就給出的實(shí)例而言，PIO 被設(shè)定在一個(gè) 0x0 的基地址單元。

圖 5：Qsys GUI

一旦在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)，則 LinearLabTools 中提供的 Python 庫包含兩個(gè)函數(shù)以與設(shè)計(jì)接口：

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 串行端口實(shí)例。第二個(gè)參數(shù)是外設(shè)在 Avalon 總線上的地址。這些函數(shù)分別接受和返還字節(jié)列表。編寫這兩個(gè)函數(shù)以在讀和寫 IP 時(shí)提供靈活性。如欲設(shè)定用于所提供實(shí)例的 NCO，則所需的就是 transaction_write 函數(shù)。

公式 1 用于確定頻率控制字。

公式 1：頻率控制字 = (期望的頻率/系統(tǒng)時(shí)鐘頻率) x 232

如欲把 NCO 設(shè)定至 1kHz 和一個(gè) 50Msps 采樣速率，則頻率控制字?jǐn)?shù)值 = 85899。該數(shù)值用十六進(jìn)制來表示即為 0x00014F8B，其作為一個(gè) 4 字節(jié)列表進(jìn)行傳遞。于是，用于把 DAC 設(shè)定至 1kHz 的 Python 代碼為：

transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0,0x01,0x4F, 0x8B])

注：根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)，PIO 的基地址為零。

圖 6：Python Avalon 總線示例

提供了一個(gè)圖 6 所示的簡單 Python 腳本，以演示 FPGA 設(shè)計(jì)和 Python 腳本的接口。它包含一個(gè)簡單的文本接口以配置 NCO。一個(gè)重要提示是 Avalon SPI 橋接器采用 SPI Mode 3。這是痛苦地通過反復(fù)試驗(yàn)而確定正確模式;并通過分析 Altera 實(shí)例中的 NIOS 處理器 SPI 接口進(jìn)行驗(yàn)證。

總括來說，該實(shí)例項(xiàng)目展示了完全無需“接觸”嵌入式處理器便可控制系統(tǒng)的能力。這讓硬件工程師不必麻煩軟件工程師就能在項(xiàng)目方面取得進(jìn)展。這種方法的好處可以悄然地添加至 FPGA，并不會影響原始設(shè)計(jì)。硬件工程師可以把精力集中在硬件上。