基于NiosII的USB接口模塊設計

1.  引言

    隨著電路規(guī)模越來越大，片上系統(tǒng)（SoC）已經(jīng)成為IC設計的發(fā)展趨勢，相應地也有了更加靈活的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）。Nios II CPU是一個基于流水線設計的通用RISC微處理器，擁有五級流水線和指令與數(shù)據(jù)內(nèi)存分開的哈佛結構，具有可配置功能。用戶可以根據(jù)需求在SOPC Builder中增減IP核，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化。為了構建一個更簡潔高效的片上系統(tǒng)，用戶可以自行開發(fā)IP組件，作為用戶自定義邏輯添加到AVALON總線^[1]。AVALON總線是一種結構相對簡單的總線，用于連接Nios II和其他外設。它規(guī)定了主從部件間的端口連接關系，以及部件間通信的時序關系。

    AVALON總線擁有多種傳輸模式，以適應不同外設要求。基本傳輸模式是在主從外設之間進行單字節(jié)，半字或字的傳輸。AVALON總線還支持一些高級傳輸模式，例如支持流操作，支持延時操作，支持多個主設備同時訪問。

2.用戶自定義邏輯模塊設計流程

    通常來說，EDA廠商及第三方提供的IP核都是通用的，但進行SOPC設計時，用戶可能有特殊需求，這時必須使用用戶自定義邏輯來實現(xiàn)所要的功能。SOPC Builder集成在Altera公司的EDA工具Quartus II中。用戶可以通過SOPC Builder提供的圖形用戶界面從Altera公司提供的IP庫中選取一些組件，如Nios II，DMA，SRAM，F(xiàn)LASH等等，根據(jù)實際需要設置這些IP的配置參數(shù)。用戶還可以自己編寫HDL代碼模塊作為用戶自定義邏輯方便地添加到SOPC Builder中，設計流程如圖1所示。

圖1 SOPC設計流程

3.USB接口模塊的添加

    這里以常用的USB控制芯片SL811HS為例詳細介紹如何在Nios II中添加用戶自定義模塊。圖2是系統(tǒng)結構圖。

3.1 USB控制芯片介紹^[2]

    SL811HS 是Cypress 公司的嵌入式USB host/slave 接口芯片，支持USB1.1 的全速和低速設備。提供USB 主機的硬件接口及總線管理機制，片內(nèi)集成SIE、USB 收發(fā)器和根HUB，能夠完成嵌入式USB 主機所需的功能。

    SL811HS的地址和數(shù)據(jù)均通過ad[7..0]分時傳輸，通過a0（數(shù)據(jù)/地址選擇線）電平的高低加以區(qū)分，當a0置為低電平時，ad[7..0]上傳輸?shù)氖荢L811片內(nèi)寄存器/緩沖區(qū)的地址；反之高電平則為數(shù)據(jù)。nwr、nrd、ncs、nrst分別為寫控制線、讀控制線、片選線和復位線，均是低電平有效，Nios II通過這幾根控制線完成對SL811HS片內(nèi)緩沖區(qū)讀寫、片選和復位等操作。intrq是中斷請求信號線。當SL811HS檢測到外設插入、拔出或者數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤、超時、數(shù)據(jù)溢出等異常情況時，通過將intrq置高電平通知Nios II。

3.2 USB接口模塊設計  

    AVALON總線為用戶提供了非常友好的接口，使得系統(tǒng)搭建時的一些細節(jié)問題得到屏蔽，大大減輕了系統(tǒng)搭建的工作量。在SL811HS與AVALON總線的接口轉換verilog代碼中，只需建立SL811HS端口與AVALON總線端口的映射關系即可。nios_intrq、nios_read_n、nios_write_n、nios_cs_n、nios_reset_n、nios_write_data[7..0]、nios_read_data[7..0]、nios_address分別對應NiosII中的中斷、讀、寫、片選、復位、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)、地址信號。intrq、nrd、nwr、ncs、nrst、ad[7..0]、a0分別對應SL811HS的中斷、讀、寫、片選、復位、數(shù)據(jù)/地址線、數(shù)據(jù)/地址選擇信號。如圖3所示^[3]。  

          圖3 自定義USB接口模塊              

     在Quartus II中對模塊功能進行仿真，由于SL811HS是數(shù)據(jù)/地址復用端口，   Nios II對其緩沖區(qū)寫的時候，先把地址通過nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0],然后把數(shù)據(jù)通過nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0]。從SL811HS緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)的時候，先把緩沖區(qū)地址通過nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0],然后通過ad[7..0]讀數(shù)據(jù)到nios_read_data[7..0]中。如圖4所示。

圖4 接口轉換模塊仿真波形

3.3添加用戶自定義邏輯^[4]

    在圖形用戶界面SOPC Builder中，左欄有一項是添加用戶邏輯。選擇后，在Bus Userface Type 選中Avlaon Register Slave，設置為靜態(tài)地址對齊方式。加入用戶編寫的源代碼文件，同時指定Verilog代碼中各個信號的類型。nios_clk指定為“clk”類型， nios_read_n等指定為“read_n ”類型，nios_write_data[7..0]指定為“writedata” 類型，nios_address指定為“address ”類型，與SL811HS直接相連信號線的都指定為“export”類型。點擊Instantiation選擇Simulate user logic。再點擊Timing，根據(jù)SL811HS的時序要求，Setup設置為2，Wait設置為65，Hold設置為5，Unit設置為ns。點擊Finish Editing之后，回到主界面，在System Generation中選擇SDK和HDL，最后點擊Generate。

    當SOPC Builder生成一個Nios II處理器設計時，會完成以下工作：

1)       系統(tǒng)存儲器映像一致性檢查。對外設地址和中斷優(yōu)先級進行唯一性驗證，檢查其是否在CPU的有效訪問范圍之內(nèi)。

2)       為Nios II系統(tǒng)生成一個定制的軟件開發(fā)包SDK。

    生成Nios II處理器系統(tǒng)的硬件設計文件*.ptf，可以用這些文件來創(chuàng)建Nios II系統(tǒng)硬件。

3.4 SL811HS讀寫函數(shù)的實現(xiàn)

    讀寫操作是Nios II與SL811HS最基本的通信方式，Nios II讀SL811HS緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時候，先用IOWR函數(shù)把所讀緩沖區(qū)的地址發(fā)送給SL811HS，然后調(diào)用IORD函數(shù)，得到的返回值就是緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。Nios II往SL811HS緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)的時候，先發(fā)地址，然后調(diào)用IOWR函數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送到SL811HS緩沖區(qū)的指定地址。在用戶工程中的inc/excalibur.h可以找到USB模塊對應地址，根據(jù)這個地址來實現(xiàn)SL811HS寄存器的讀寫操作。Nios II每個寄存器占32位，而地址按字節(jié)分配，所以每個寄存器使用4個地址，USB模塊對應的地址寄存器地址為0x00900c00，數(shù)據(jù)寄存器地址為0x00900c04。

#define ADDR_REG 0x00900c00

#define DATA_REG 0x00900c04

 sl811_read(u8 reg)

{IOWR(ADDR_REG,0,reg);

return IORD(DATA_REG,0);

}

sl811_write(u8 reg, u8 val)

{IOWR(ADDR_REG,0,reg);

 IOWR(DATA_REG,0,val);

}