基于SOPC的數(shù)據(jù)發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：提出一種基于SOPC的數(shù)據(jù)發(fā)生系統(tǒng)及其PCI接口的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主要模塊的硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)中定制用戶自定義主從外設(shè)及其通過(guò)相應(yīng)的主從端口與Avalon。總線的連接，并在EDA工具QuartusⅡ和ModelSim平臺(tái)上用硬件描述語(yǔ)言VHDL語(yǔ)言對(duì)該方案中的基本模塊，如數(shù)據(jù)產(chǎn)生，乒乓結(jié)構(gòu)和PCI9054接口邏輯進(jìn)行了邏輯綜合及功能仿真?？梢栽诒鞠到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件的完善，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非常規(guī)類(lèi)型數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，有利于參數(shù)的修改和系統(tǒng)升級(jí)。
關(guān)鍵詞：SOPC；Avalon總線；乒乓結(jié)構(gòu)；PCI9054

0 引 言
可編程片上系統(tǒng)(SOPC)是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)镾OPC是片上系統(tǒng)(SoC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；SOPC是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減，可擴(kuò)充，可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能；SOPC結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容；SOPC涉及目前已引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。
現(xiàn)以數(shù)據(jù)發(fā)生系統(tǒng)為例，介紹采用SOPC技術(shù)，以硬件描述語(yǔ)言為主要手段，產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的設(shè)計(jì)方案。研究了偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生，兩片SRAM乒乓結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)以及通過(guò)PCI9054芯片與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)傳遞等模塊的硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

1 基本原理和系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的主要模塊框圖如圖1所示，SOPC系統(tǒng)采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系統(tǒng)包括NiosⅡ軟核處理器，擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器FLASH，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM，以及用戶自定義邏輯如PCI9054接口邏輯模塊、數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊、乒乓結(jié)構(gòu)模塊等，并通過(guò)Avalon總線連接起來(lái)。數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到兩片片外擴(kuò)展的SRAM中，PCI9054接口邏輯將數(shù)據(jù)從SRAM中讀出后通過(guò)PCI9054接口芯片傳輸?shù)絇C機(jī)中，其中SRAM中數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀出是通過(guò)乒乓結(jié)構(gòu)模塊控制的。

由于PCI總線協(xié)議比較復(fù)雜，該系統(tǒng)采用PCI接口專用芯片PCI9054，用于PCI總線的控制。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，采用了DMA傳輸模式。在該模式中，PCI9054既是PCI總線的控制器又是本地總線的控制器，所以其與FPGA之間的接口邏輯模塊設(shè)置為AvaIon主外設(shè)，控制SRAM的讀操作。
FPGA的片上資源很寶貴，所以數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用了片外擴(kuò)展SRAM。由于數(shù)據(jù)為16 b，而且為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，采用了兩片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)構(gòu)成乒乓結(jié)構(gòu)，以用作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。為保證整個(gè)系統(tǒng)高速運(yùn)行以及以后升級(jí)的需要，選用了存取時(shí)間為10 ns的IDT71V416。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊
該模塊的邏輯功能由VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)修改該模塊的設(shè)計(jì)產(chǎn)生所需要的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為偽隨機(jī)序列。模塊的邏輯功能是：先產(chǎn)生8 b的偽隨機(jī)數(shù)，再將所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)D觸發(fā)器組合成16 b的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用了非線性反饋的移位寄存器，即全狀態(tài)移位計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生所需要的偽隨機(jī)數(shù)。這種計(jì)數(shù)器利用了移位寄存器的所有狀態(tài)，能夠自啟動(dòng)，不需要額外輸入。這種偽隨機(jī)序列發(fā)生器，可大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高可靠性，易于實(shí)現(xiàn)。
全狀態(tài)移位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)變化規(guī)律有兩個(gè)特點(diǎn)：狀態(tài)的最高位由反饋函數(shù)確定；余下的各位由原態(tài)移位得到。該系統(tǒng)采用的反饋函數(shù)為：

式中：Qi(i＝1，…，8)為電路的現(xiàn)態(tài)。
2.2 乒乓結(jié)構(gòu)模塊
2.2.1 乒乓結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)
為了提高系統(tǒng)的傳輸速率，兩片SRAM構(gòu)成了乒乓緩存結(jié)構(gòu)，即在一片執(zhí)行寫(xiě)操作的同時(shí)，另一片在執(zhí)行讀操作。乒乓結(jié)構(gòu)模塊的原理如圖2所示，P1口與數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊相連接，僅具有寫(xiě)入功能，P2口設(shè)計(jì)為Avalon從端口，與Avalon總線相連僅具有讀出功能。

對(duì)于數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊而言，由于僅具有并行數(shù)據(jù)的輸出，沒(méi)有地址和控制信號(hào)端口，故它無(wú)法直接對(duì)SRAM進(jìn)行寫(xiě)操作，因而要求乒乓結(jié)構(gòu)模塊有地址產(chǎn)生功能。P1口的CLK作為計(jì)數(shù)器的脈沖源，計(jì)數(shù)器的輸出作為SRAM的地址。DBl連接數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊的輸出端。CBl為控制信號(hào)，因?yàn)镻1口只有寫(xiě)入功能，所以其we_n恒接低，oe_n恒接高。
P2口為只有讀出功能的Avalon從端口，所以AB2為從端口的地址線address；DB2為數(shù)據(jù)線readdata；CB2中的we_n為讀信號(hào)線read，oe_n恒接低。由于兩片SRAM始終處于工作狀態(tài)，所以相應(yīng)的片選信號(hào)chip_select_n恒接低。
兩片SRAM在P1口和P2口之間的切換的控制信號(hào)即chipselect，由計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于262 144時(shí)，chipselect接低，SR1與P1口相接，SR2與P2口相接；當(dāng)計(jì)數(shù)值在262 144～524 288之間時(shí)，chipselecl接高，SR1與P2口相接，SR2與P1口相接。當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)524 288時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。
2.2.2 Avalon從外設(shè)的端口信號(hào)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊與乒乓結(jié)構(gòu)模塊結(jié)合為一個(gè)模塊，通過(guò)P2口掛在Avalon總線上。該模塊的信號(hào)列表如圖3所示。其中，avalon_slave_O接口類(lèi)型的信號(hào)與Avalon總線相連接，而conduit_end接口類(lèi)型的信號(hào)與SRAM相連接。圖3中的Avalon從端口即為P2口，采用了流水線讀傳輸?shù)哪Ｊ剑@種模式能在前一次傳輸返回readdata前開(kāi)始一次新的傳輸，增加了帶寬。

2.2.3 動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊及其時(shí)許設(shè)計(jì)
Avalon總線模塊能夠適應(yīng)主從外設(shè)的不同寬度和不匹配的數(shù)據(jù)寬度。當(dāng)系統(tǒng)中村子不匹配的存儲(chǔ)口時(shí)，要考慮地址對(duì)齊問(wèn)題。對(duì)于存儲(chǔ)器類(lèi)型的外設(shè)，采用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式。IDT71V416型SRAM是靜態(tài)RAM，屬于存儲(chǔ)器型外設(shè)，所以該Aalon從端口采用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式，如圖4所示。選用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式，使得主端口能連續(xù)地對(duì)從外設(shè)進(jìn)行讀寫(xiě)，并使系統(tǒng)將外設(shè)認(rèn)作存儲(chǔ)器型外設(shè)。

根據(jù)IDT71V416型SRAM手冊(cè)中讀寫(xiě)時(shí)序的各時(shí)間參數(shù)值設(shè)定set up，read wait，write wait及holdtime的時(shí)間均為10 ns，使該端口既符合Avalon總線讀寫(xiě)時(shí)序的要求，又符合IDT71V416型SRAM的讀寫(xiě)時(shí)序的要求，如圖5所示。

數(shù)據(jù)產(chǎn)生，乒乓結(jié)構(gòu)和兩片SRAM三部分的組合在ModelSim中的仿真結(jié)果如圖6所示。avalon_ad－dress_b不變時(shí)是在執(zhí)行第一次寫(xiě)操作，此時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)讀出，所以avalon_readdata_b值為高阻；avalon_ad-dress_b開(kāi)始變化時(shí)，表示一片SRAM已經(jīng)寫(xiě)滿，正在執(zhí)行該片的讀操作，而另一片在執(zhí)行寫(xiě)操作，avalon_readdata_b為系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)。

2.3 PCI9054接口邏輯模塊
PCI總線作為PC機(jī)與外部設(shè)備之間重要的連接總線，具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定靈活，傳輸速度快，即插即用和良好的擴(kuò)展性等特點(diǎn)，被廣泛地用在各種與PC機(jī)互聯(lián)的設(shè)備中。該系統(tǒng)采用的PCI9054芯片口可以將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。
2.3.1 本地總線狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
由于PCI9054的DMA傳輸方式只適宜于做單次傳輸，故該系統(tǒng)采用了DMA結(jié)合中斷的方式傳輸數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用了乒乓結(jié)構(gòu)，可以在一片SRAM執(zhí)行DMA傳輸?shù)耐瑫r(shí)執(zhí)行另一片寫(xiě)操作，這樣不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，狀態(tài)也比較容易控制。
系統(tǒng)復(fù)位后，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊開(kāi)始產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接存入SRAM中。此時(shí)，計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值每一次達(dá)到262 144時(shí)，也就是一片SRAM已經(jīng)存滿時(shí)，SOPC系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)PCI9054中斷請(qǐng)求信號(hào)LINT#，CPU響應(yīng)中斷，發(fā)出讀命令、要讀取的字節(jié)數(shù)、地址信號(hào)等。PCI9054：先通過(guò)LHOLD申請(qǐng)本地總線的控制權(quán)，SOPC系統(tǒng)通過(guò)LHOLDA響應(yīng)，使PCI9054．獲得本地總線的控制權(quán)。PCI9054將PCI地址空間映射到本地地址空間，接著啟動(dòng)本地總線的DMA傳輸。
該系統(tǒng)采用VHDL語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了DMA讀傳輸本地端的時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。狀態(tài)0為空閑狀態(tài)(i-dle)，若LHOLD信號(hào)被置1，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，否則留在狀態(tài)0。狀態(tài)1為總線保持狀態(tài)(hold)，在此狀態(tài)下應(yīng)將LHOLDA信號(hào)置l。如果信號(hào)ADs為O且LW_R為0，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)2。狀態(tài)2為DMA讀狀態(tài)(DMA_read)，在此狀態(tài)下應(yīng)將READY信號(hào)和模塊內(nèi)部信號(hào)avaIon_read置l，從而使AvaIon主端口的master_read置1，表示Avalon主外設(shè)發(fā)起讀傳輸。如果BLAST為1，則表明此次DMA讀取還沒(méi)有完成，繼續(xù)留在狀態(tài)2；如果BLAsT為0，則表明此次DMA讀取完成，轉(zhuǎn)到狀態(tài)3。狀態(tài)3為DMA讀操作完成狀態(tài)(end cycle)，當(dāng)LHOLD被置0時(shí)，表示PCI9054不再請(qǐng)求本地總線，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)0；當(dāng)BLAST為0且LHOLD為1時(shí)，則表明PCI9054還要進(jìn)行DMA讀操作，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)1繼續(xù)。其中的DMA讀操作的時(shí)序邏輯的ModelSim仿真結(jié)果如圖7所示。

2.3.2 Avalon主外設(shè)的端口信號(hào)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)中，PCI9054控制數(shù)據(jù)從本地總線上讀出，先到PCI9054的FIFO中，再將FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI總線上。因此SOPC系統(tǒng)中的PCI9054接口邏輯模塊為Avalon主外設(shè)，主端口通過(guò)address，read，wait-request等信號(hào)發(fā)起Avalon總線上的讀操作，從而控制Avalon從外設(shè)即乒乓結(jié)構(gòu)模塊的讀操作。
由于本系統(tǒng)定制的從外設(shè)采用了流水線讀的傳輸模式，為了使端口傳輸模式匹配，主外設(shè)也采用流水線讀的傳輸模式。流水線主端口一個(gè)必須的信號(hào)為readdatavalid，Avalon交換結(jié)構(gòu)向主端口發(fā)出readdat－avalid，以表示readdata信號(hào)正在提供有效的數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)定制的Avalon主外設(shè)構(gòu)成模塊主要由5部分構(gòu)成，其中Read Master Logic提供了符合Aval－on接口規(guī)范的主端口信號(hào)；Control Logic是ReadMaster Logic與PCI9054 Local Bus Logic控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換的橋梁；FIFO是數(shù)據(jù)由Read MasterLogic向PCI9054傳輸?shù)木彌_區(qū)。這三部分通過(guò)主端口流水線讀傳輸時(shí)序邏輯聯(lián)系在一起，提供了Avalon主外設(shè)的主端口接口界面。PCI9054 Local Bus Logic即VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的本地總線狀態(tài)機(jī)，它將PCI9054本地端的信號(hào)通過(guò)狀態(tài)機(jī)邏輯轉(zhuǎn)換為與Control Logic和FIFO相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；Clock/Reset提供了主外設(shè)的clk和reset信號(hào)。
利用SOPC Builder中的new cormponent edit設(shè)計(jì)PCI9054接口邏輯模塊的接口。在new component ed－it的signal中設(shè)置模塊的各信號(hào)線以及相應(yīng)的總線型號(hào)類(lèi)型；在interface中設(shè)置各信號(hào)線對(duì)應(yīng)的端口類(lèi)型及其相應(yīng)的參數(shù)。圖8為Avalon主端口的參數(shù)設(shè)置。

2.4 系統(tǒng)中各中斷的實(shí)現(xiàn)
在SOPC系統(tǒng)中，當(dāng)沒(méi)有進(jìn)行傳輸時(shí)，Avalon交換結(jié)構(gòu)忽略來(lái)自主端口所有與傳輸相關(guān)的輸出信號(hào)，并且主端口也忽略來(lái)自Avalon交換結(jié)構(gòu)所有與傳輸相關(guān)的輸入信號(hào)。但是Avalon總線接口提供控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷請(qǐng)求等功能，這些信號(hào)不直接與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)。Avalon中斷請(qǐng)求信號(hào)允許從端口發(fā)出一個(gè)IRQ，表明它需要主外設(shè)來(lái)服務(wù)。系統(tǒng)中，PCI9054采用了DMA加中斷的方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而且DMA傳輸中的主控制器PCI9054芯片也要通過(guò)中斷信號(hào)LINT#來(lái)觸發(fā)，所以中斷的實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
系統(tǒng)從端口的中斷原理在于系統(tǒng)復(fù)位之后，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊開(kāi)始自動(dòng)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入SRAM中，當(dāng)一片SRAM存滿之后，從端口的irq信號(hào)被設(shè)置。這個(gè)irq信號(hào)的時(shí)序必須與相關(guān)時(shí)鐘的上升沿同步，其相關(guān)地址端口的名字必須是本模塊中Aval－on從端口的名字。系統(tǒng)中從端口中斷的具體設(shè)置如圖9所示。

系統(tǒng)主端口的中斷原理：在于主端口的irq檢測(cè)到從端口有中斷發(fā)出，通過(guò)置為有效來(lái)響應(yīng)這個(gè)中斷，并同時(shí)用該信號(hào)觸發(fā)PCI9054的LINT#信號(hào)。PCI9054獲得本地總線的控制權(quán)，并啟動(dòng)DMA傳輸，向SOPC：系統(tǒng)中的主外設(shè)即PCI9054接口邏輯模塊發(fā)送地址和傳輸?shù)淖止?jié)長(zhǎng)度，開(kāi)始DMA傳輸。當(dāng)字節(jié)長(zhǎng)度減為O，另一片SRAM存滿時(shí)，再次觸發(fā)PCI9054的LINT#信號(hào)，使得PCI9054啟動(dòng)下一次DMA傳輸。主端口中斷的設(shè)置如圖10所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
圖10 主端口中斷設(shè)置詳細(xì)介紹了基于SOPC設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)生系統(tǒng)中PCI接口的開(kāi)發(fā)過(guò)程。對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)，如設(shè)計(jì)添加在SOPC系統(tǒng)中的用戶自定義主外設(shè)和從外設(shè)；PCI9054本地總線狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，乒乓結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)中各中斷的實(shí)現(xiàn)等主要部分做了分析和研究，給出了基于SOPC的硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)的主要部分由VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，有利于參數(shù)修改和系統(tǒng)升級(jí)。